Кавитационное изнашивание

Под кавитацией понимают явление образования в движущемся по поверхности твердого тела потоке жидкости полостей в виде пузырей, наполненных парами, воздухом или газами, растворенными в жидкости и выделившимися из нее. Дословно кавитация - это полость, пустота.

Это явление обусловлено следующим. В движущемся с большой скоростью потоке, при его сужении и наличии препятствий на его пути, давление может упасть до значения, соответствующего давлению парообразования при данной температуре. При этом, в зависимости от сопротивления жидкости растягивающим усилиям, может произойти разрыв, нарушение сплошности потока. Образующаяся пустота заполняется паром и газами, выделившимися из жидкости. Воздух, вовлекаемый в поток, облегчает возникновение кавитации. Образовавшиеся парогазовые пузыри размерами порядка десятых долей миллиметра, перемещаясь вместе с потоком, попадают в зоны высоких давлений. Пар конденсируется, газы растворяются и в образовавшиеся пустоты с большим ускорением устремляются частицы жидкости; происходит сопровождаемое ударом восстановление сплошности потока.

При определенных типах кавитации, на площади в 1 см² в течение 1 секунды, могут образовываться и разрушаться более 30 млн. кавитационных пузырьков.

Гидродинамическая кавитация наблюдается в трубопроводах, в гидромоторах и в потоках, обтекающих лопатки центробежных, пропеллерных насосов и лопасти гидравлических турбин и гребных винтов. Явление кавитации вызывает вибрации, стуки и сотрясения, что приводит к расшатыванию крепежных соединений, обрыву болтов, смятию резьб, фрикционной коррозии стыков, нарушению уплотнений и усталостным повреждениям. Кавитация понижает КПД машин и гребных винтов и вызывает непосредственное разрушение поверхностей деталей в зоне ее действия. Она способствует закоксовыванию распылителей форсунок двигателей внутреннего сгорания.

Труднообтекаемая форма и неровности поверхностей, включая неровности, образовавшиеся по причине кавитационного изнашивания, служат причиной образования вихрей и отставания струй от стенок рабочих каналов, что способствует возникновения или усилению кавитации. Наличие коррозионной среды и абразивных частиц ускоряет процесс изнашивания.

Существуют различные предпосылки наступления и протекания кавитационного изнашивания.При замыкании (быстром заполнении жидкостью) до полного исчезновения парогазовых пузырей у поверхности детали, последняя подвергается микроскопическим гидравлическим ударам. Из нескольких миллионов образовавшихся кавитационных пузырьков примерно один из 32 тыс. участвует в разрушении. Под действием ударов поверхность металла начинает деформироваться и подвергаться наклепу, появляются линии сдвига, происходит как бы своеобразное травление с выявлением границ отдельных зерен. Многократно повторяющиеся удары вызывают разупрочнение и перенаклеп материала на отдельных микроучастках. Разрушается, прежде всего, менее прочная структурная составляющая (в сталях – феррит, в чугунах графитовые включения). Затем может последовать выкрашивание и более прочных составляющих. Разрушение развивается в пределах зерен или по их границам в зависимости от соотношения прочности зерен и связи между ними.

Предупредить кавитацию можно, проектируя гидромеханическую систему так, чтобы во всех точках потока давление не опускалось ниже давления парообразования. Однако возможность кавитации всегда следует учитывать.

Интенсивность кавитационного изнашивания зависит от температуры, свойств жидкости и материала деталей. Влияние вязкости незначительно. С увеличением температуры поверхностного натяжения изнашивание происходит более интенсивно. Наибольшая интенсивность изнашивания наблюдается в воде с температурой 50 ^оС.

Кавитационная стойкость материала определяется его составом и структурой. Повышение содержания углерода в углеродистой стали увеличивает ее стойкость. Однако при содержании углерода 0,8 % и более она начинает падать. Закалка с нагревом ТВЧ, цементация, поверхностное упрочнение, также способствуют значительному увеличению кавитационной стойкости стали.

При колебании твердого тела относительно жидкости или жидкости относительно твердого тела давление в жидкости на границе раздела жидкости и твердого тела может уменьшиться и вызвать образование кавитационных пузырей. Условия кавитации зависят от внешнего давления на систему и насыщенности жидкости воздухом. Возникновению вибрационной кавитации способствуют звуковые и ультразвуковые колебания.

Дата добавления: 2014-12-26