Почему зуб ковша в кварцевой руде стачивается за несколько сотен часов, а вкладыш в масле служит годами? Нагружай пару трения, подсыпай абразив, убирай смазку и сравнивай материалы по закону Арчарда.
Абразивный износ: твердые частицы, например кварц в руде, режут металл, как напильник. Так стачиваются зубья ковша и футеровка кузова. Усталостный износ: поверхность много раз сжимается под катящимся шариком или зубом шестерни, под ней зарождаются трещинки, и кусочки металла выкрашиваются. Это питтинг. Задир: если масляная пленка порвалась, металл касается металла, местами сваривается и вырывается кусками. Каждый вид оставляет свой след, и по нему механик понимает причину.
Закон Арчарда дает объем износа, а сравнение твердостей подсказывает, будет ли абразив вообще резать. Числа берутся из опыта.
Сколько металла сотрется?
Закон Арчарда. Износ растет с силой прижима и пройденным путем, а падает с твердостью. Удобнее делить на площадь: тогда получится глубина износа h = K · p · L / H.
Будет ли абразив резать?
Если частица заметно тверже металла, она прорезает борозду. Если металл тверже частицы, она только катается и крошится, износ падает в десятки раз. Поэтому против кварца нужны карбиды, а не просто закалка.
Хватит ли смазки?
Толщину масляной пленки сравнивают с высотой неровностей обеих деталей. Пленка растет со скоростью и вязкостью масла и тает с нагрузкой. Меньше 1: вершинки касаются, и начинается задир.
Поверхности касаются не всей площадью, а только вершинками неровностей. Под нагрузкой вершинки сминаются, пока их общая площадь не станет такой, чтобы выдержать силу: Aфакт = F / H. Чем тверже металл, тем меньше настоящая площадь касания.
Пока деталь едет, одни пятна контакта исчезают, другие появляются. Каждое пятно с малой вероятностью K отрывает частичку размером с себя. Пройдя путь L, мы перебираем много таких пятен, и объем износа получается пропорциональным Aфакт · L, то есть K · F · L / H.
Усталостный износ подчиняется другому закону: ресурс подшипника или зуба падает с нагрузкой в третьей и большей степени. Его разбирают в теме механики «Подшипники качения и их ресурс». А вред коррозии, которая часто помогает износу, разобран в химии в теме «Коррозия металлов и защита от нее».
В кварцевой руде зуб стачивается за сотни часов. Его меняют по шаблону износа, не дожидаясь, пока сотрется адаптер: адаптер в разы дороже зуба.
Днище кузова защищают листом 400–500 HB. По закону Арчарда лист 500 HB служит дольше листа 400 HB, но сильнее всего срок продлевают наплавка карбидами или резиновая футеровка там, где падают куски.
Вкладыш коленвала работает в масляной пленке толщиной в несколько микрон. Пыль в масле и падение давления масла дают задир за минуты: вот зачем фильтры и датчик давления.
Питтинг на зубьях бортового редуктора и на дорожках подшипников видно при осмотре и находят анализом масла по росту частиц железа. Причины: перегрузка, вода в масле, неправильная вязкость.
По частицам в масле узнают, что изнашивается: железо дают шестерни и валы, медь и свинец дают вкладыши, кремний означает пыль снаружи. Это ранний сигнал до поломки.
Пальцы и втулки рукояти шприцуют каждую смену: свежая смазка выдавливает грязь из зазора. Пропущенная шприцовка дает сухое трение с абразивом и износ в разы быстрее.
Глубина износа считается по закону Арчарда h = K · p · v · t / H с коэффициентом K, который собран из трех частей: абразивной (зависит от отношения твердостей абразива и металла), адгезионной (растет при нехватке смазки) и усталостной (растет с давлением, если смазка есть). Значения K учебные, порядок величин правдоподобный, но реальный износ зависит от формы деталей, размера частиц, влажности, ударов и коррозии. Марганцовистая сталь 110Г13Л в опыте считается уже наклепанной до 500 HB, как поверхность в работе. Браковочный износ задан условно для каждого случая. Толщина масляной пленки показана схематично от положения ползунка смазки и скорости.