Детали машин

Физические основы надежности

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки (ГОСТ 27.002).

Причины нарушения работоспособности машин

Различают три причины нарушения работоспособности машин: конструктивные, технологические и эксплуатационные.

Конструктивные причины обусловлены нарушением установленных правил и норм проектирования и конструирования, которые приводят при эксплуатации машины к появлению конструктивного отказа. Причинами являются: недостаточная защищенность узлов трения; наличие концентраторов напряжений; ошибки в учете распределения напряжений или расчете несущей способности; неправильный выбор материалов; неучтенные нагрузки и др.

Технологические причины вызваны несовершенством или нарушением технологии изготовления или ремонта, что приводит при эксплуатации машины к появлению производственного отказа. К таким причинам относят дефекты: плавки и изготовления заготовок (пористость, усадочные раковины, неметаллические включения и расслоения); механической обработки (задиры, трещины, заусенцы и др.); сварки (трещины, остаточные напряжения, прожоги, недостаточная глубина сварного шва; термической обработки (закалочные трещины, обезуглероживание, перегрев и др.); материала (включения, примеси и др.); сборки (повреждения поверхностей, внесение абразива, несоосность; несоответствие размеров и др.).

Эксплуатационные причины являются следствием нарушения установленных правил и условий эксплуатации машины и приводят к возникновению эксплуатационного отказа. Эксплуатационные отказы возникают при нарушении периодичности и содержания технического обслуживания, нагрузках, превышающих допустимые и др.

Виды и характеристики изнашивания

Изнашивание – процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Износ является результатом изнашивания.

В соответствии с ГОСТ 27674 различают три основных вида изнашивания: механическое, коррозионно-механическое и изнашивание при действии электрического тока (рис. 1).

Механическое изнашивание – изнашивание в результате механических воздействий.

Коррозионно-механическое изнашивание – изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой.

Под изнашиванием при действии электрического тока подразумевается электроэрозионное изнашивание, которое в свою очередь представляет собой эрозию поверхности тела в результате воздействия электрических (изнашивание контактов системы зажигания двигателей внутреннего сгорания, коллекторов машин постоянного тока, цоколей электрических ламп накаливания).

Механическое изнашивание включает семь разновидностей: абразивное, гидроабразивное (газоабразивное), гидроэрозионное (газоэрозионное), усталостное, кавитационное и изнашивание при заедании.

Абразивное изнашивание – механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или твердых частиц (абразивных частиц). Абразивными частицами являются частицы песка, твердые частицы руды, почвы, продукты износа трущихся поверхностей деталей. Абразивному изнашиванию подвержены детали ходовая часть гусеничных тракторов и дорожно-строительных машин, рабочие органы сельскохозяйственных машин, открытые зубчатые передачи. Степень агрессивности абразивных частиц по отношению к изнашиваемой поверхности детали оценивают коэффициентом твердости

КН = Н / На,

где Н и На – микротвердость поверхности детали и абразива, соответственно.

Профессор М. М. Тененбаум установил, что критическое значение коэффициента твердости составляет КН кр = 0,5…0,7.

При значениях коэффициента твердости КН < 0,5 наблюдается интенсивное абразивное изнашивание, а при КН > 0,7 сопротивление абразивному изнашиванию резко возрастает.

Гидроэрозионное (газоэрозионное) изнашивание – изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости (газа).

Гидроэрозионное изнашивание возникает на внутренних поверхностях трубопроводов, поверхностях деталей водяных и масляных насосов, стенках водяной рубашки двигателей внутреннего сгорания и др. .

Газоэрозионному изнашиванию подвержены внутренние поверхности гильз цилиндров, детали выпускной системы двигателя внутреннего сгорания и др.

Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание – абразивное изнашивание в результате действия твердых тел или твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости (газа). Гидроабразивному изнашиванию подвержены лопатки водяных насосов, внутренние поверхности трубопроводов, гидроцилиндров, золотники гидрораспределителей, а газоабразивному изнашиванию – лопатки газовых турбин, внутренние поверхности газопроводов, цилиндры компрессоров и двигателей внутреннего сгорания и др.

Виды изнашивания

Рис. 1. Виды изнашивания

Усталостное изнашивание – механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Проявляется при трении качении в виде питтинга (местных очагов разрушения) и в отделении микрообъемов поверхности при трении скольжении за счет усталости поверхностных слоев.

Характерным примером является износ беговых дорожек колец подшипников качения, боковых поверхностей зубьев шестерен и др.

Кавитационное изнашивание – механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное высокое ударное давление или высокую температуру. В результате на поверхности металла образуются раковины, которые местами сливаются и образуют сквозное отверстие. Данному изнашиванию подвержены трубопроводы, лопасти водяных насосов, наружные поверхности цилиндров и водяных рубашек двигателей внутреннего сгорания.

Изнашивание при заедании – изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность. Примером является износ зубьев шестерен и подшипников скольжения.

Изнашивание при фреттинге – механическое изнашивание соприкасающихся тел при колебательном относительном микросмещении. Этот вид изнашивания возникает при ослаблении болтовых соединений, а также при отсутствии больших динамических и ударных нагрузок.

Окислительное изнашивание – коррозионно-механическое изнашивание, при котором преобладает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой. Одновременно протекает два процесса – пластическое деформирование малых объемов металла поверхностных слоев и проникновение кислорода воздуха в деформированные слои. На первом этапе происходит разрушение и удаление мельчайших твердых частиц металла из непрерывно образующихся вследствие проникновения кислорода пленок, на втором этапе – образование и выкрашивание недеформирующихся хрупких окислов. Окислительному изнашиванию подвержены шейки коленчатых валов, цилиндры, поршневые пальцы, болтовые и заклепочные соединения, шестерни, муфты, детали, находящиеся в подвижном контакте.

Изнашивание при фреттинг-коррозии – коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях. На интенсивность процесса изнашивания значительное влияние оказывает амплитуда напряжения циклического нагружения.

Характерным признаком процесса фреттинг-коррозии в подвижных соединениях является наличие темных полос по границам сопряжения. В соединениях с натягом в месте контакта появляются продукты окисления от светлокрасно-коричневого до темно-коричневого цвета.

Изнашивание при фреттинг-коррозии наиболее часто возникает на посадочных поверхностях полумуфт, зубчатых колес, подшипников качения, в деталях кривошипно-шатунных механизмов.

Повреждения деталей машин и меры их предупреждения

Повреждения деталей являются следствием развития процессов изнашивания и нарушений правил технической эксплуатации (ПТЭ) оборудования.

Повреждения деталей машин по характеру воздействий, приводящих к отказу оборудования, подразделяются на механические, термические, коррозионные, эрозионные, кавитационные и износовые повреждения .

Механические повреждения возникают под воздействием внешней нагрузки и проявляются в виде остаточной деформации (изгиб, скручивание, смятие), вязкого и хрупкого излома, а также усталостного выкрашивания.

Остаточная деформация является следствием перегрузок, длительного действия переменных контактных, растягивающих или сжимающих напряжений, повышенных температур. Меры по предупреждению остаточной деформации: упрочнение поверхностного слоя детали, замена на материал с повышенными механическими характеристиками, изменение конструкции узла, обучение эксплуатационного персонала и повышение требований по соблюдению правил технической эксплуатации оборудования.

Вязкий излом возникает под воздействием нагрузок, превышающих допустимые значения и являющихся следствием нарушения ПТЭ. Характерным признаком вязкого излома является наличие участка текучести в месте излома.

Меры по предупреждению вязкого излома те же, что и в случае остаточной деформации.

Хрупкий излом является следствием значительных ударных нагрузок, длительного воздействия знакопеременной нагрузки, низкого качества материала с повышенным содержанием фосфора, серы и водорода, некачественной термообработки, наличия концентраторов напряжений. Характерным признаком хрупкого излома является кристаллическая структура места излома и сглаженная поверхность мест зарождения усталостной трещины.

Меры по предупреждению хрупкого излома: замена на материал с повышенной ударной вязкостью, сокращение до минимума концентраторов напряжений на поверхности детали, изменение конструкции узла, не допущение появления увеличенных зазоров в линии привода, приводящих к появлению повышенных динамических нагрузок.

Усталостное выкрашивание (питтинг) возникает при высоких контактных напряжениях и пониженной контактной прочности материала. Проявляется в виде одиночных и групповых осповидных углублений. Меры по предупреждению: упрочнение контактных поверхностей детали, повышение класса чистоты обработки поверхности, точный монтаж подшипников и зубчатых передач.

Термические повреждения наиболее часто проявляются в виде термической усталости, являющейся результатом одновременно действующих механических нагрузок и циклических, с большим перепадом (до 800 °С и более) температур. Данный вид повреждения имеет место в рабочих валках и роликах рольгангов станов горячей прокатки, роликах МНЛЗ, паллетах агломерационных машин, трактах выдачи агломерата и др. Характерным признаком повреждения является так называемая «сетка разгара» . Повышенным сопротивлением термической усталости обладают следующие марки стали: 60С2, 30ХГСА, Х18Н9Т (закалка с высоким отпуском).

Коррозионные повреждения являются следствием атмосферной, газовой и электрохимической коррозии.

Атмосферная коррозия возникает при влажности среды более 70 % из-за конденсации влаги и взаимодействия с кислородом воздуха. Для борьбы с атмосферной коррозией применяют протекторную защиту, консервационные материалы и лакокрасочные покрытия.

Сущность протекторной защиты заключается в том, что поверхность черного металла покрывают менее стойким к коррозии металлом. Электроны более активного металла (Zn) перетекают на металл с меньшей активностью (Fe) и удерживают положительные катионы последнего от перехода в электролит. Железо не будет корродировать до тех пор, пока не будет разрушен слой цинка в радиусе его действия .

Консервационные материалы (замедлители коррозии) образуют на поверхности защитные пленки, изолирующие металл от окружающей среды и разрушающие систему гальванических элементов на его поверхности. Консервационными материалами являются пластичные смазки (смазки АМС и ЗЭС), жидкие консервационные масла , пленкообразующие ингибированные нефтяные составы , защитные восковые дисперсии (ЗВВД-13, ИВВС-706М и ПЭВ-74), малорастворимые ингибиторы коррозии (МСДА-1, МСДА-2, Эмульгин и СЖК), летучие ингибиторы коррозии (Г-2, НДА и ХЦА), ингибированная бумага (МГБИ 3-40, МГБИ 3- 25 и МГБИ 8-40).

Лакокрасочные покрытия используются для защиты от коррозии не трущихся поверхностей и являются наиболее дешевыми, поэтому они получили наибольшее распространение.

Газовая коррозия возникает при температурах 300…600 °С. При температуре выше 600 °С наблюдается скачок в окалинообразовании. Для предотвращения газовой коррозии применяют материалы с повышенной окалиностойкостью.

Электрохимическая коррозия развивается в водной среде с растворенным кислородом за счет электрохимических процессов, связанных с неоднородностью металла, в трещинах, в щелях между металлами. Меры по предупреждению электрохимической коррозии: ограничение доступа кислорода к поверхности металла, применение однородных материалов.

Коррозионное растрескивание возникает при действии статических нагрузок и агрессивной (по отношению к данному металлу) коррозионной среды.

Коррозионное растрескивание является следствием пониженной коррозионной стойкости границ зерен и их наводораживания, сопровождающимся развитием значительных давлений по границам зерен, что ведет к снижению межкристаллитной прочности и последующему разрушению детали. Данному виду повреждения подвержены сосуды из нержавеющей стали, изготовленные из латуни, дюралюминия, магниевых сплавов.

Коррозионное растрескивание устраняется заменой на материал с более высоким сопротивлением данному виду разрушения и исключением возможности его наводораживания.

Коррозионная усталость представляет процесс разрушения металлов при одновременном действии коррозионной среды и циклических напряжений. Основными факторами, вызывающими коррозионную усталость, являются активность коррозионной среды, уровень действующих циклических напряжений, число циклов нагружения в единицу времени, прочность и коррозионная стойкость сплава. Коррозионная усталость предотвращается защитой деталей от коррозионной среды и применением низколегированных марок сталей.

Эрозионные повреждения возникают при действии на металл с большой скоростью потоков жидкости или газа, причем интенсивность разрушения поверхности возрастает с повышением температуры потока и его запыленности.

Меры по предупреждению эрозионных повреждений: повышение сопротивления металла окислению в данной среде, увеличение поверхностной твердости, наплавка твердосплавных материалов.

Кавитационные повреждения возникают на поверхности металла под воздействием гидравлических ударов. Снижение интенсивности кавитационных повреждений достигается за счет введения веществ, снижающих поверхностное натяжение жидкости; применять высокоуглеродистые стали, никель- и хромсодержащие стали (например, 38ХМЮА), низколегированный чугун с шаровидным графитом; использовать упрочняющие технологии (поверхностнопластическое деформирование (ППД), закалка ТВЧ, азотирование, цементация); наплавлять или напылять твердосплавные материалы; применять полимерные материалы.

Повреждения при заедании характерны для зубьев шестерен и подшипников скольжения. Для предотвращения схватывания применяют поверхностное пластическое деформирование, поверхностную закалку, сульфидирование, введение в смазочный материал присадок, содержащих серу, хлор, фосфор.

Чтобы повысить износостойкость узлов трения в условиях абразивного изнашивания, применяют упрочнение поверхности деталей, наплавку твердосплавными материалами.

Повреждения поверхностей вследствие фреттинг-коррозии служат концентраторами напряжений и снижают предел выносливости. Для снижения интенсивности фреттинг-коррозии используют упрочнение контактирующих поверхностей, увеличение натяга соединения, нанесение на поверхность контакта слоя меди, кадмия, ПТФЭ (политетрафторэтилен). Нанесение полимерных материалов (герметик 6Ф, ГЭН-150В) на посадочные места подшипников качения полностью исключает возникновение фреттинг-коррозии и многократно (до 3,6 раза) повышает их долговечность.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *