Характерные неисправности машин

Дефекты деталей машин

Образование и развитие неисправностей деталей машин, механизмов и коммуникаций объясняется действием объективно существующих закономерностей. Неисправности появляются в результате постоянного или внезапного снижения физико-механических свойств материала, его истирания, деформирования, смятия, коррозии, старения, перераспределения остаточных напряжений и других причин, вызывающих, в конечном итоге разрушение конструкции. Практически любая неисправность является следствием изменения состава, структуры или механических свойств материала, конструктивных размеров деталей и состояния их поверхностей.

Появление неисправностей обусловлено конструктивными, технологическими и эксплуатационными факторами [1].

К конструктивным факторам относятся: расчетные нагрузки, скорости относительного перемещения, давления, материалы, их физико-механические характеристики и структура, конструктивное исполнение деталей и сборочных единиц, шероховатость и твердость поверхностей.

Технологическими факторами являются приемы, способы, точность и стабильность получения деталей и заготовок, виды механической, термической, упрочняющей и финишной обработки при их изготовлении, правильность сборки, регулирования, приработки и испытания узлов, агрегатов и машин.

Эксплуатационные факторы оказывают решающее воздействие на сохранение работоспособности оборудования, обеспечиваемых их конструкцией и технологией изготовления. К эксплуатационным относятся факторы, определяемые назначением конструкции, ее нагрузочными и скоростными режимами, а также интенсивностью эксплуатации; не зависящие от назначения машины (условия эксплуатации, своевременность и полнота технического обслуживания и др.).

Различный срок службы (ресурс) деталей обусловлен многими причинами, основными из которых являются следующие:

1. Разнообразие функций деталей в машине [2].

2. Широкий диапазон изменения действующих на детали нагрузок.

3. Наличие как активных (движущихся), так и пассивных (неподвижных) деталей.

4. Разнообразие видов трения в сопряжениях, использование в сопряжениях деталей из разных материалов, вызванное необходимостью снижения сил трения.

5. Отклонения в свойствах материалов, точность и качество обработки сопрягаемых деталей; условия эксплуатации.

Неисправности оборудования можно разделить на три группы: износы, механические повреждения и химико-тепловые повреждения.

Износы деталей машин определяются давлением, циклическими нагрузками, режимом смазывания и степенью его стабильности, скоростью перемещения поверхностей трения, температурным режимом работы деталей, степенью агрессивности окружающей среды, качеством обработки и состоянием поверхностей трения и т.д.

В зависимости от условий работы все детали по виду изнашивания можно разбить на пять групп.

К первой группе — детали ходовой части мобильных машин, для которых основным фактором, определяющим их долговечность, является абразивное изнашивание.

Ко второй группе — детали, у которых основным фактором, лимитирующим долговечность, является износ вследствие пластического деформирования.

К третьей группе — детали, для которых доминирующим фактором является коррозионно-механическое или молекулярно-механическое изнашивание.

К четвертой группе — детали, долговечность которых лимитируется пределом выносливости.

К пятой группе—детали, у которых долговечность зависит одновременно от износостойкости трущихся поверхностей и предела выносливости материала деталей.

Некоторые детали имеют несколько рабочих поверхностей, работающих в различных условиях. По наиболее изнашивающейся поверхности или наиболее вероятному признаку разрушения эти поверхности следует отнести к той группе, по которой лимитируется срок службы детали.

Интенсивность нарастания износа деталей и изменение зазоров подвижных сопряжений в зависимости от продолжительности работы происходят в определенной закономерности.

Первый период характеризуется интенсивным нарастанием износа за сравнительно малый период работы — это время приработки деталей. Износ в этот период во многом зависит от шероховатости поверхности деталей, условий смазывания и нагрузки. С ростом шероховатости рабочей поверхности, а также с увеличением нагрузки в начальный период работы износ деталей значительно повышается.

Второй период, наибольший по протяженности, соответствует нормальной работе деталей и сопряжений. За время нормальной эксплуатации износ деталей увеличивается на сравнительно небольшую величину, часто называемую естественным износом. Интенсивность изнашивания при этом во многом зависит от условий эксплуатации, а также от своевременности и качества проводимого технического обслуживания.

Третий период характеризуется интенсивным нарастанием износа деталей вследствие увеличивающихся зазоров в сопряжениях. Работа сопряжений с износами, превышающими допустимое значение, как правило, характеризуется нарушением условий смазки, сопровождается перегревом деталей, появлением шумов и стуков и часто заканчивается аварийным разрушением. Такие износы называются предельными. Детали, имеющие предельные износы, к работе не допускаются; они должны быть восстановлены или заменены новыми.

Таким образом, зная закономерность нарастания износа детали или увеличения зазора сопряжения, можно легко определить предельные и допускаемые износы деталей или зазоры сопряжения.

Предельным износом называют износ, соответствующий предельному состоянию изнашивающегося изделия.

Допускаемым износом называют износ, при котором изделие может сохранить работоспособность в течение межремонтного периода.

Значение допускаемого износа всегда соответствует второму периоду нормальной эксплуатации.

Механические повреждения. К таким повреждениям относятся трещины, пробоины, риски и задиры, выкрашивания, поломки и обломы, изгибы, вмятины и скручивания.

Трещины образуются в результате воздействия значительных местных нагрузок, ударов и пере нагружения. Трещины часто возникают на чугунных деталях и на деталях, изготовленных из листового материала. Кроме трещин, возникающих в результате воздействия сил ударного характера, появляются усталостные трещины в наиболее напряженных местах деталей (продолжительное воздействие знакопеременных нагрузок). Могут быть трещины и теплового происхождения.

Пробоины появляются в результате ударов различных предметов о поверхности тонкостенных деталей.

Риски и надиры на рабочих поверхностях деталей чаще образуются вследствие загрязнения смазки или абразивного действия чужеродных частиц.

Выкрашивание — дефект, характерный для поверхностей деталей, подвергнутых химико-термической обработке, появляющийся вследствие динамических ударных нагрузок в процессе эксплуатации. Выкрашивание может происходить и в результате усталостных напряжений.

Поломки и обломы возникают при сильных ударах о детали; часто наблюдаются на литых деталях. Могут возникать также в результате усталости металла.

Изгибы и вмятины характеризуются нарушением формы деталей и происходят в результате ударных нагрузок.

Скручивание деталей возникает от воздействия большого крутящего момента, связанного с преодолением временных значительных сопротивлений при работе.

Химико-тепловые повреждения. По сравнению с другими повреждениями химико-тепловые повреждения деталей встречаются реже и возникают, как правило, в результате сложных взаимодействий при тяжелых условиях эксплуатации машин. К таким повреждениям относятся: коробление, коррозия, раковины, образование нагара и накипи, электроэрозионное разрушение и т. д.

Коробление деталей происходит в результате воздействия высоких температур (чаще при нарушении правил эксплуатации машин), приводящих к возникновению структурных изменений и больших внутренних напряжений.

Коррозия — процесс разрушения металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. Поскольку подавляющее большинство технологических сред представляет собой электролиты, то основным видом коррозии оборудования является электрохимическая коррозия. Для оборудования характерны сплошная (равномерная и неравномерная) и местная коррозии. Сплошная коррозия проявляется в постепенном уменьшении первоначальной толщины элементов сосудов, аппаратов и машин. Скорость коррозии можно заранее рассчитать, используя данные по коррозионной стойкости конструкционных материалов в конкретных технологических средах. Большую опасность представляет местная (избирательная) коррозия, т. е. коррозия, охватывающая отдельные участки поверхности деталей машин и аппаратов. Основными причинами появления местной коррозии являются как внутренние факторы (непостоянство структуры и свойств материала, состояние поверхности, неоднородное напряженное состояние в элементах конструкции и т. п.), так и внешние факторы, определяемые, прежде всего условиями взаимодействия металла со средой (температура, давление, время, условия контакта, состав коррозионной среды и т. п.). Для оборудования характерна местная коррозия, т. е. точечная, контактная, щелевая, пятнами и язвами.

Оценивать и прогнозировать процессы развития местной коррозии практически невозможно; поэтому она во многих случаях приводит к внезапному выходу конструкции из строя. Значительно снижают работоспособность конструкции такие виды избирательной коррозии, как межкристаллитная и ножевая коррозияя. Межкристаллитная коррозияя характерна для конструкций, изготовленных из коррозионно-стойких хромистой и хромоникелевой сталей.

Одним из видов разрушения являются коррозионные усталость и растрескивание. Коррозионная усталость возникает при одновременном воздействии циклических растягивающих напряжений и агрессивной среды и обусловлена значительным снижением предела выносливости в специфических условиях по сравнению с пределом выносливости этих металлов на воздухе. Коррозионное растрескивание наблюдается при одновременном воздействии коррозионной среды и внешних или внутренних растягивающих напряжений с образованием транскристаллитных или межкристаллитных трещин.

На склонность к образованию коррозионных трещин существенно влияют: среда, давление и температура, физико-химические свойства металла, величина и характер распределения растягивающих напряжений и т. п.

Коррозионное растрескивание низкоуглеродистых и низколегированных сталей наблюдается в щелочных растворах, при температурах выше 40°С. В этом случае, растрескивание происходит при растягивающих напряжениях, близких к пределу текучести.

Хромоникелевые коррозионно-стойкие стали, наиболее часто подвергаются транскристаллитному коррозионному растрескиванию в хлорсодержащих средах при повышенных температурах (выше 60°С), что является характерным для многих аппаратов химических технологий.

Разнообразие условий эксплуатации обусловливает различные виды изнашивания рабочих поверхностей деталей машин и аппаратов. Характерными видами изнашивания являются абразивное, коррозионно-механическое, гидроабразивное, гидроэрозионное и кавитационное.

Наиболее распространенный вид разрушения оборудования-коррозионно-механическое изнашивание, происходящее в результате механических воздействий, сопровождающихся химическим или электрохимическим воздействием среды на металл. В результате совместного воздействия механического и коррозионного факторов в поверхностных слоях происходят взаимосвязанные явления, способствующие активации процессов упругопластического деформирования, химических и электрохимических реакций и т.д.

К наиболее распространенному виду коррозионно-механического изнашивания относят, разрушение металлов при трении в коррозионной среде, которое происходит при одновременном воздействии на поверхность металла коррозионной среды и сил трения.

Гидроабразивное изнашивание происходит под воздействием на поверхность металла абразивных частиц, взвешенных в жидкости и перемещающихся относительно изнашиваемой поверхности. Гидроабразивное изнашивание происходит при наличии значительного числа абразивных частиц в составе технологической среды. При воздействии скоростных потоков технологических сред на поверхность трубопроводов, деталей насосов, запорной и регулирующей арматуры и других поверхностей, возникает разрушение металла вследствие ударных воздействий турбулентных струй — гидроэрозионное изнашивание. Его разновидности — коррозия при гидравлических ударах и кавитационное изнашивание.

Кавитационное изнашивание металла происходит в результате воздействия на его поверхность микроударных нагрузок, возникающих при образовании и захлопывании кавитационных полостей и пузырьков.

Раковины (выгорание) образуются в результате местных температурных воздействий на поверхности детали, например раковины на корпусных поверхностях (фасках) выпускных клапанов и т.д.

Нагар образуется в результате взаимодействия сильно нагретых газов и продуктов сгорания топлива и масел на поверхностях деталей. Образовавшийся нагар ухудшает условия теплопередачи и в некоторых случаях приводит к перегреву деталей и образованию на них трещин.

Накипь на стенках рубашки блока появляется в результате использования в системе охлаждения двигателей воды с малорастворимыми в воде солями магния и кальция и механическими примесями.

Электроэрозионное разрушение возникает в результате воздействия на поверхности деталей искровых разрядов. Электроны, вылетающие с катода, выбивают с поверхности анода частицы металла, которые рассеиваются в окружающей среде и частично переносятся на катод. Такие повреждения возникают на электродах свечей, на контактах электрических приборов (прерывателей, распределителей, магнето и др.), на коллекторах генераторов и стартеров и т. п.

Существует значительная номенклатура деталей и других элементов машин, которые изнашиваются и разрушаются по малоизученным закономерностям. Существуют также неисправности, связанные со снижением тех или иных эксплуатационных свойств деталей, когда вследствие динамических нагрузок и теплового воздействия они без видимых внешних повреждений утрачивают работоспособность, нарушая тем самым нормальную работу агрегатов, и часто вызывают аварию машин.

Неисправности деталей по вероятности их появления можно разделить на три вида: зависимые, равновозможные и независимые (или случайные).

Появление одной из зависимых неисправностей обязательно вызовет появление другой зависимой неисправности или будет сопутствовать последней.

Равновозможные неисправности возникают без закономерной связи друг с другом, но каждая из них в отдельности должна появиться на детали обязательно (закономерно). Вероятности появления таких неисправностей примерно равные.

Случайные неисправности возникают независимо от других неисправностей детали. Они носят случайный характер и при эксплуатации деталей могут и не появиться.

По характеру возникновения зависимые и равновозможные неисправности могут быть результатом естественного изнашивания, а случайные — результатом только аварии.

Взаимосвязь неисправностей позволяет достоверно определять на изношенных деталях закономерные сочетания неисправностей, группировать детали с большим числом различных сочетаний неисправностей в небольшое число маршрутов и составлять технологический процесс на совместное устранение комплекса дефектов.

Дата добавления: 2015-05-06