В в е д е н и е

Шлапак В.П., Венскайтис В.В.

Ш68	Надежность машин: Учеб. пособие по дисциплине «Надежность технических систем» для выполнения лабораторных работ / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2007 – 56с.

ISBN 5-7011 0310-2

В учебном пособии изложено содержание лабораторных работ, проводимых при изучении нескольких дисциплин кафедры. С целью более глубокого понимания сущности изучаемого к каждой лабораторной работе приведено достаточно подробное теоретическое обоснование решаемых задач. Даны практические рекомендации по выполнению работ.

Для студентов специальностей: 110301 – «Механизация сельского хозяйства», 110303 – «Механизация переработки сельскохозяйственной продукции», 110304 – «Технология обслуживания и ремонта машин в АПК» и 150405 – «Машины и оборудование лесного комплекса».

УДК 631.3.004.62

ISBN 5-7011-0310-2 ББК 34.41

©ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2006

©В.П. Шлапак, В.В. Венскайтис, 2006

В процессе эксплуатации любой машины возникают различные отказы, происходят поломки, изнашиваются и разрушаются детали, происходит разрегулирование отдельных узлов и агрегатов. Все это вместе взятое ухудшает надежность машины.

Согласно ГОСТу 27.002-89 НАДЕЖНОСТЬ – это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.

БЕЗОТКАЗНОСТЬ – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Показателями безотказности являются: вероятность безотказной работы, средняя наработка на отказ (до отказа), гамма-процентная наработка до отказа, установленная наработка до отказа, интенсивность отказов, параметр потока отказов.

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе ТО и Р.

Показатели долговечности: средний ресурс (срок службы), гамма-процентный ресурс (срок службы).

СОХРАНЯЕМОСТЬ – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Показатели сохраняемости: средний и гамма-процентный срок сохраняемости.

РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем ТО и Р.

Показатели ремонтопригодности: среднее и гамма-процентное время восстановления, вероятность восстановления, интенсивность восстановления и средняя трудоемкость восстановления.

Кроме перечисленных единичных показателей надежность машин характеризуется также комплексными показателями.

К ним относятся: коэффициент готовности, коэффициент оперативной готовности, коэффициент технического использования и коэффициент сохранения эффективности.

Данное пособие предназначено для закрепления знаний, основных понятий и положений, принятых в надежности, путем использования диалога с ПЭВМ.

Работа 1. ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ

Цель работы: Изучение методики оценки показателей безотказности и ремонтопригодности машин. Выработка умения анализировать полученные в процессе исследования результаты и применять их на практике.

Задание: Используя ПЭВМ, обработать информацию об отказах подсистем трактора. Рассчитать оценки показателей безотказности и ремонтопригодности. Проанализировать полученные результаты и сделать необходимые выводы.

Оснащение рабочего места: ПЭВМ, исходная информация об отказах, полученная в результате подконтрольной эксплуатации тракторов, справочная литература.

СОДЕРЖАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

На каждой стадии жизненного цикла объекта возникает необходимость управления надежностью с целью обеспечения заданных требований. Управление этим свойством предполагает определение соответствующими методами фактически достигнутого уровня и, при необходимости, принятие решений, направленных на его повышение. Точность и достоверность получаемых при определении надежности оценок от стадии к стадии повышается. Очевидно, что наиболее полную и объективную информацию о надежности можно получить по результатам эксплуатации машин в реальных условиях. В этой связи весьма актуальной является задача сбора и обработки информации, полученной в сфере эксплуатации, и определения на этой основе оценок показателей надежности наиболее адекватных реальным.

На стадии эксплуатации проводится оценка надежности путем обработки собранной статистической информации об отказах объектов агропромышленного и лесного комплексов. Поскольку процесс сбора информации достаточно длителен и трудоемок, то кроме собственно оценки показателей надежности решаются и ряд других задач: выявление конструктивных и технологических недостатков объектов, приводящих к снижению надежности; выявление деталей и сборочных единиц, лимитирующих надежность всего объекта; изучение закономерностей возникновения отказов; установление влияния условий и режимов эксплуатации на надежность объекта; корректировка комплектов ЗИП и нормируемых показателей надежности; определение эффективности мероприятий по повышению надежности объектов.

Основным источником статистической информации о надежности является подконтрольная эксплуатация группы однотипных объектов, в ходе которой фиксируются данные об отказах и процессах восстановления. Полученную информацию направляют на завод-изготовитель (до первого капремонта) или на ремзавод в виде донесений об отказах этих машин. Донесения содержат следующую информацию: об объекте (заводской номер, год изготовления и ремонта); об условиях его эксплуатации; о характере и причинах его отказа; о трудоемкости и условиях восстановления.

Информация о надежности должна быть: достоверной, т.е. отражать объективные факторы без домыслов и искажений; полной, т.е. содержащей все существенные сведения; однородной (для однотипных объектов, эксплуатирующихся в примерно одинаковых условиях).

Все возникающие в объектах отказы разделяют на две группы: случайные (счетные) и несчетные отказы, имеющие, как правило, неслучайный характер. Анализ причин возникновения отказов при испытаниях и эксплуатации и их классификация по этим группам являются важнейшими элементами исследования надежности.

Теория надежности рассматривает только случайные отказы с целью установления их закономерностей и устранения причин возникновения. Кроме того, эти случайные отказы должны обладать устойчивой частотой появления, т.к. по единичным отказам нельзя определить их статистические или вероятностные характеристики.

В этой связи при анализе (оценке) надежности должны учитываться отказы: вызванные случайным разбросом или ограниченностью сроков службы комплектующих элементов; случайным неблагоприятным сочетанием режимов работы или условий эксплуатации; случайными погрешностями производства и т.д.

К несчетным отказам, информация о которых не учитывается при оценке надежности, хотя устранение их причин объективно приводит к ее повышению, относят отказы: возникшие в результате других отказов (зависимые); вызванные грубыми нарушениями правил эксплуатации, технологии изготовления и конструирования; возникшие в условиях эксплуатации, не предусмотренных для данных объектов. Причины этих отказов, выявленных при испытании одного экземпляра объектов данного типа, могут дать информацию для их устранения, а следовательно, для повышения надежности.

Обработка информации о надежности объектов связана с необходимостью анализа случайных событий и величин (наработки, ресурса, срока службы, времени восстановления и т.п.), поэтому осуществляют ее методами теории вероятностей и математической статистики. Известно, что наиболее полной характеристикой случайной величины является закон ее распределения, поэтому именно определение закона распределения случайной величины лежит в основе обработки полной статистической информации о надежности объектов.

Вместе с тем, часто вид закона распределения априорно известен, тогда обработка информации о надежности сводится к определению его параметров и связанных с ним числовых характеристик совокупности исходных данных.

В рамках данной лабораторной работы будем считать закон распределения оцениваемого показателя известным, поэтому обработку исходных данных ограничим определением средних показателей надежности, на основании которых делается предварительное заключение о надежности трактора в целом и отдельных его подсистем. Исходные данные для расчета сводятся в таблицу 2.1.

По собранной информации необходимо определить показали безотказности: оценку наработки на отказ и вероятность безотказной работы и показатель ремонтопригодности – оценку среднего времени восстановления.

Оценка средней наработка на отказ для плана [NUT] определяется по формуле:

где t_i – наработка i-го трактора между отказами; Т – заданная длительность испытаний; N – число испытываемых объектов; r – число отказов за время испытаний.

Таблица 2.1 – Статистическая информация о надежности тракторов

№	Отказавшая подсистема трактора	Наработка между отказами, ti	Время вос-становления, tвi	№	Отказавшая подсистема трактора	Наработка между отказами, ti	Время восстановления, tвi
				…

Оценка вероятности безотказной работы определяется отношением числа тракторов, безотказно отработавших до конца заданной наработки, к общему числу тракторов, находившихся в подконтрольной группе в начале наблюдений, то есть

где N_т= N - r – число тракторов, не имеющих отказов до конца заданной наработки Т; N – число тракторов подконтрольной группы в начале наблюдений.

Среднее время восстановления Т_в это математическое ожидание времени восстановления объекта. По существу это среднее время простоя тракторов в неработоспособном состоянии, вызванное отысканием причины и устранением последствий отказа. Оценка среднего времени восстановления определяется по формуле:

где t_вi-продолжительность отыскания и устранения i-го отказа, ч; m – количество проведенных восстановлений.

Результаты расчетов количественных показателей надежности заносятся в табл. 2.2.

Таблица 2.2 – Результаты расчетов показателей надежности

Суммарная наработка, Sti

Количество наблюдаемых тракт-в, N

Количество отказов, r

Суммарное время восст-ановления, Stвi

Средняя наработка на отказ по подсистемам, час

Вероятность безотказной работы, Р(t)

Среднее время восст-я, час Тв

Трактор в целом, То

Двигатель, То дв

Ходовая часть, То хч

Электрооборудов.То э

Навесная система, То нс.

Коробка передач, То кпп

Трансмиссия, То тр

По результатам расчетов необходимо: 1) выявить самую ненадежную подсистему подконтрольных тракторов, то есть подсистему, средняя наработка на отказ которой минимальна; 2) с позиций инженера-эксплуатационника (инженера предприятия технического сервиса) на основе конкретно полученных результатов сформировать свое отношение к уровню безотказности и ремонтопригодности трактора в целом; 3) разработать мероприятия, направленные на повышение: а) уровня безотказности трактора для эксплуатирующей организации и для предприятия технического сервиса; б) уровня ремонтопригодности трактора для эксплуатирующей организации и для предприятия технического сервиса.

Контрольные вопросы

1.Задачи, решаемые на основе собранных в сфере эксплуатации данных о надежности машин.

2. Требования, предъявляемые к статистической информации о надежности машин.

3. Счетные и несчетные отказы.

4. Определения безотказности и ремонтопригодности машин.

5. Перечислить свойства надежности, оцениваемые в данной лабораторной работе.

6. Привести зависимости для оценки показателей безотказности и ремонтопригодности, вычисленных в данной работе.

7. Перечислить возможные мероприятия, направленные на повышение уровня безотказности и ремонтопригодности машин для условий предприятия технического сервиса и эксплуатирующей организации и дать их краткую характеристику.

Работа 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИДОВ ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ

Цель работы – изучение видов изнашивания деталей и ознакомление с методами повышения их износостойкости

Задание к работе: 1) изучить виды изнашивания деталей, внешние признаки, условия и механизм возникновения;

2) определить основной вид изнашивания поверхностей деталей;

3) составить отчет и защитить работу.

Оснащение рабочего места: персональный компьютер IBM PC, программа Mike Pro Soft Desing.

СОДЕРЖАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Активизируйте программу и отвечая на ее вопросы, вводите в командную строку диалогового окна, номера соответствующих видов изнашивания деталей. При этом необходимо одновременно заполнять табл. 2.1., в которой напротив каждого из видов изнашиваниия следует записывать наименования деталей..

При эксплуатации машин и оборудованния агропромышленного и лесного комплексов на них воздействуют различные виды энергии, вызывая необратимые процессы, изменяющие их начальное состояние. Среди этих процессов, изнашивание является доминирующим, так как большинство отказов связаны именно с ним. На рабочие поверхности деталей как правило действуют несколько видов изнашивания, один из которых является ведущим – наиболее агрессивным. В реальных условиях, ведущий вид изнашивания устанавливают путем осмотра изношенной поверхности и анализа условий работы детали. При этом обращают внимание на внешние признаки износа: царапины, трещины, лунки (кратеры), выкрашивания, задиры, отслаивание и наплывы (наносы) материала, изменения цвета металла, следы коррозии и другие поверхностные разрушения. Учитывают также режим работы сопряжения и вид трения (по характеру относительного движения и по наличию смазочного материала). Правильное определение ведущего вида изнашивания при ремонте машин и оборудования позволяет выбрать рациональные способы восстановления и повысить износостойкость деталей.

В соответствии с ГОСТ27674-88 различают следующие виды изнашивания: механическое (абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, гидроэрозионное, газоэрозионное, кавитационное, усталостное, изнашивание при фреттинге, изнашивание при заедании); коррозионно-механическое (окислительное, изнашивание при фреттинг-коррозии); изнашивание при действии электрического тока (электроэрозионное).

Механическое изнашивание возникает в результате механических воздействий на поверхность детали. Механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц называют абразивным. Этому виду изнашивания подвержены детали сельскохозяйственных, транспортных, строительных, дорожных, горных машин, узлы бурового, металлургического и перерабатывающего оборудования работающие в условиях взаимодействия рабочих органов, ходовых частей и механизмов с абразивной средой. Абразивное изнашивание встречается у лемехов плуга, зубьев борон, лап культиваторов, звеньев гусениц, зубьев ковшей экскаваторов, ножей скреперов, рабочих органов дробилок, сошников сеялок, в деталях режущего аппарата жаток, открытых зубчатых и цепных передачах, деталях рабочих органов дорожных машин, и т.д. Вместе с этим абразивное изнашивание является основным видом разрушения поверхностей трения и для некоторых деталей не контактирующих на прямую с абразивной средой. Основным источником попадания абразивных частиц в сопря­жения машин является окружающая среда. В составе почвенной пыли преобладают частицы минералов: двуокись крем­ния SiO₂, окись железа Fe₂O₃, соединения Аl, Са, Mg, Na и других элементов обладающих высокой твер­достью. В роли абразива могут выступать также нагар, продукты изнашивания и выпавшие в осадок присадки масел. Основными факторами влияющими на механизм и интенсивность абразивного изнашивания являются: характер механических воздействий абразивной среды на поверхность трения; величина удельной нагрузки; наличие химически активных веществ и растворов в абразивной массе; механические характеристики материала детали; природа и форма структурных составляющих материала детали; размер, форма, твердость и степень связности абразивных частиц; степень влажности абразивной среды. Воздействие абразивной среды на поверхность трения может быть в виде скольжения детали в массе абразивных частиц (в почве); трение деталей с абразивной прослойкой; скольжения по монолитному абразиву (по горным породам); качения по абразиву; соударения с частицами абразива; соударения с монолитным абразивом; воздействия потока абразивных частиц на поверхность детали (гидроабразивное и газоабразивное изнашивание). Каждый вид взаимодействия обусловливает присущее ему напряженно-деформированное состояние, степень активации и последующую форму разрушения поверхности. Абразивное изнашивание может быть результатом одноактного взаимодействия абразива с поверхностью (срезание микростружки) или многоактного процесса деформирования поверхности абразивными частицами и отделения частиц материала детали вследствие усталости. Переход от пластического оттеснения к микрорезанию металла частицами возможен при остроугольной форме частиц характерной для мелких фракций, их прочности, достаточной нагрузке и степени закрепленности в абразивной среде. Прочность абразивных частиц с уменьшением их размеров возрастает, особенно интенсивно начиная со 100 мкм. К наиболее распространенным методам повышения износостойкости при абразивном изнашивании относятся: герметизация сопряжений, наплавка на рабочие поверхности износостойких материалов, химико-термическая обработка, высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО), применение материалов способных упрочняться при деформировании (сталь 110Г13Л аустенитного класса), поверхностная закалка лучом лазера, ионное легирование, ионно-плазменное напыление, постановка в наиболее ответственные участки пластин из твердых сплавов и металлокерамики, обеспечение чистоты при­меняемых топлив, смазочных материалов и рабочих жидкостей. Абразивное изнашивание является одним из наиболее быстро протекающих процессов разрушения рабочих поверхностей дета­лей при трении. В зависимости от материала деталей и абразивной среды скорость изнашивания изменяется в пределах 0,1- 5 мкм/ч:

Гидроабразивным (газоабразивным) называют изнашивание в результате действия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости (газа). Гидроабразивное изнашивание характерно для элементов топливной аппаратуры, двигателей внутреннего сгора­ния, объемного гидропривода, гидротурбин, деталей гидродинамических передач а также для трубопроводов и арматуры транспортирования строительных растворов. В роли жидкости — носителя частиц, как правило, высту­пают смазочные материалы, топлива, тормозные и рабочие жидкости. Газо­абразивное изнашивание наблюдается в соплах ракетных двигателей, на лопатках газовых турбин, в выхлопных трубах, элементах компрессоров, вентиляторов, оборудования для транспортирования сыпучих материалов и пневматического инструмента, где носителем абразивных частиц является сжатый воздух, а также оборудование котлов. Гидро- и газоабразивное изнашивание имеет общий механизм и характер­ные признаки проявления. Интенсивность изнашивания зависит от угла атаки абразивными частицами, скорости потока, концентрации, размера, твердости абразивных частиц, соотношения твердости поверхности материала и абразива. С увеличением размера абразивных частиц, до 150 мкм интен­сивность изнашивания монотонно возрастает. Присутствие влаги (1–1,5%) резко увели­чивает интенсивность изнашивания, особенно при повышении температуры (свыше 400-500 °С). Интенсивность изнашивания в значительной степени обусловлена направлением скорости абразивных частиц, которое характеризуется углом атаки a_а т. е. углом между образующей профиля поверхности детали и вектором скорости потока жидкости (или газа), несущего абра­зивные частицы. При нормальном ударе, когда вектор скорости потока напра­влен перпендикулярно к поверхности детали, износостойкость материала определяется сопротивлением его микрообъемов уста­лостному, деформационному и хрупкому разрушению, а также способностью материала поглощать кинетическую энергию удара частиц вследствие упругой деформации. При углах атаки a_а = 20-30° абразивных частиц их ударный импульс уменьшается, и повре­ждение материала происходит вследствие среза и отрыва частиц с образованием коротких царапин. Если угол атаки a_а = 5–15° поток жидкости (или газа) свободно обтекает выступы микронеровностей, а динамические воздействия воспринимаемые поверхностью, незначительны, и поэтому интенсивность изнаши­вания невелика. Повышение износостойкости деталей подверженных воздействию запыленных горячих газов может быть обеспечено применением жаропрочных и окалиностойких сталей, а также установкой специальных экранов снижающих агрессивность потока.

Гидроэрозионным (газоэрозионным) называется изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости (газа). С удалением приповерхностных локальных микрообъемов при повторных воздействиях возникают ярко выраженные неровности на поверхности. Интенсивность эрозионного разрушения зависит от прочности когезионньгх связей в мате­риале. Эрозия при воздействии жидкости происходит вследстие трения пото­ка о поверхность, возникновения кавитации и от ударного воздействия частиц потока. В зависимости от свойств материала возможны вырывы отдельных объемов или групп зерен с неблагоприятной ориентацией относительно приложенных сил. В пластичных материалах обладающих способностью к наклепу, вначале накапливаются микропластические деформации отдельных участков, а когда способность к упрочнению исчерпывается, эти участки разрушаются, вымываются. Жидкость внедряющаяся при ударах в образующиеся микротрещины, ведет себя подобно клину, раздвигая стенки трещины. При этом может иметь место процесс электрохимической коррозии; поэтому во многих случаях эрозионное изнашивание сопровождается корроэионно-механическими разрушениями. Интенсивность эрозионного изнашивания зависит от скорости потока, угла атаки с изнашивающейся поверхностью, агрессивности среды, физико-механических и химических свойств поверхностных слоев материала. Гидроэрозионному изнашиванию часто подвергаются отсечные кромки золотников, клапаны запорных и регулирующих устройств гидравлических систем, а также элементы энергетических установок под воздействием жидкометаллических теплоносителей. Газовая эрозия как процесс изнашивания металла наблюдается на поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания, в насадках для истечения газа, на лопатках газовых турбин и т.д. Как правило газ движется с большой скоростью и имеет высокую температуру. Такой поток газа производит значительные структурные изменения в поверхностном слое металла и уносит частицы металла из этого слоя. В результате нагрева (выше Ас₃) и диффузии верхний слой становится рыхлым, не поддается травлению, а при отжиге не переходит в первоначальное состояние. На поверхности деталей, и на некоторой глубине (для стальных деталей до 30 мкм) возникают трещины и продолговатые раковины ветвистого строения. Образование пор и трещин является следствием поглощения газов металлом (окклюзии), когда образуются твердый раствор, а иногда и химические соединения металла с газом. После охлаждения металла проникшие в толщу газы создают избыточное давление и способствую разрушению металла. Разновидностью газовой эрозии является абляция (от лат. Ablatio – отнятие, устранение) – унос вещества с поверхности твердого тела потоком газа в результате испарения, оплавления, разложения и химической эрозии материала. В процессе абляции происходит суммарное воздействие механических сил, теплоты и агрессивных сред потока. К материалам с высокой абляционной стойкостью относят: керамику, армированную пластмассу, пиролитический графит и др. На абляции основана защита от нагревания (охлаждение) космических аппаратов, головных частей ракет-носителей при входе в атмосферу, а также охлаждение камер ракетных двигателей

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. Кавитационное изнашивание происходит в результате многократного воздействия на поверхность гидравлических ударов, возникающих при захлопывании кавитационных полостей вблизи поверхности детали. Кавитационные полости (пузырьки) образуются в гидродинамическом потоке вследствие появления в нем областей с давлением ниже давления насыщенного пара этой жидкости. Захлопывание пузырька происходит при увеличении внешнего давления со скоростью звука. Высвобождаемая энергия аккумулируется в поверхностных слоях детали и идет на деформирование, изменение структуры, появление и развитие микротрещин, каверн, впадин. Кавитационному изнашиванию подвержены лопасти турбин, гребных винтов, рабочих колес центробежных насосов, трубопроводы и другие гидротехнические устройства. Различают гидродинамическую и акустическую кавитации. Если понижение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся жидкости, то кавитацию называют гидродинамической. В случае же понижения давления вследствие прохождения в жидкости акустических волн – акустической. Например, наружная поверхность гильз цилиндров изнашивается при кавитации, которая возникает от ударов поршня создающих в охлаждающей жидкости звуковые волны. При этом износ наружных поверхностей гильз в 3-4 раза больше износа зеркала цилиндра. В процессе кавитационного изнашивания разрушается прежде всего менее прочная структурная составляющая (в сталях – феррит; в чугунах – графитовые включения) затем выкрашиваются более прочные составляющие. Высокую износостойкость при кавитационном изнашивании имеют стали с аустенитной структурой, имеющие большое значение критической плотности потока аккумулированной энергии.. Повышение содержания углерода до 0,8% увеличивает их стойкость, а при содержании 0,8% и более – снижает. Введение в сталь Ni и Cr повышает ее стойкость за счет снижения количества феррита и увеличения дисперсности. Пластинчатый перлит более стоек, чем зернистый. Наиболее стойким является низколегированный чугун (11% Ni, 0,3% Мо) с шаровидным графитом. Введение в воду веществ образующих эмульсии понижает поверхностное натяжение жидкости и снижает кавитационное изнашивание. Наибольшая интенсивность изнашивания в воде наблюдается при температуре 50 °. Сравнительно хорошей кавитационной стойкостью обладает резиновое покрытие. Закалка с нагревом ТВЧ, цементация, хромирование (молочным хромом толщиной не менее 40 мкм) и упрочнение наплавкой также сообщают сталям кавитационную стойкость.

Усталостное изнашивание – механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Данный вид изнашивания может происходить как при трении качения, так и в условиях скольжения. Наиболее часто усталостное изнашивание возникает на поверхностях деталей имеющих сосредоточенный контакт (линейный или точечный) при наличии смазки. Примерами таких деталей и узлов трения могут служить беговые дорожки и тела качения шариковых и роликовых подшипников, активные поверхности зубьев шестерен, кулачки, валки прокатных станов, бандажи колесной пары тепловозов, рельсы, фрикционные передачи. Вместе с этим усталостное изнашивание встречается и у деталей не испытывающих контактных напряжений – подшипников скольжения, деталей шарниров. При этом на монометаллических подшипниках образуются сквозные трещины, а на биметаллических вкладышах наблюдается выкрашивание антифрикционного споя. Процесс усталостного изнашивания обычно связан с многократно повторяющимися циклами напряжений возникающими на поверхностях контактирующих деталей. Циклически изменяющиеся контактные напряжения вызывают поверхностные разрушения в виде трещин, ямок (питтинг), отслаивания металла. Образующиеся оспины и раковины диаметром от сотых долей до нескольких миллиметров увеличиваются в процессе работы узла и ведут к выкрашиванию значительных участков. Механизм этого вида изнашивания определяется процессами повторной пластической деформации, упрочнением и разупрочнением металла в поверхностных слоях. При этом в зоне контактной площадки образуются первичные микротрещины обычно под углом 30° к поверхности трения. В основе механизма развития трещины лежит тот же процесс, что и при объемной усталости. Специфичность процесса контактной усталости заключается в значительно большем уровне действующих напряжений, в тепловыделении от внешнего трения, в наличии двух тел и промежуьочной среды между ними, активно участвующей в процессе, а также в роли микронеровностей как концентраторов напряжений.

Для повышения износостойкости деталей работающих при усталостном изнашивании их подвергают ХТО, снижают шероховатость и модифицируют профили контактирующих поверхностей, исключают неравномерное распределение нагрузки, используют более вязкие масла.

Изнашивание при фреттинге – механическое изнашивание соприкасающихся тел при колебательном относительном микросмещении. Термином фреттинг (от англ. Fret – разъедать, подтачивать) в технике обозначают относительное колебательное движение сжатых деталей. Необходимым условием возникновения изнашивания при фреттинге является наличие малых колебательных возвратно-поступательных перемещений с малыми амплитудами, а также наличие проскальзывания между поверхностями. Этот вид изнашивания возникает в клепанных, болтовых, шлицевых, шпоночных, штифтовых и прессовых соединениях на затянутых стыках, в стальных канатах, на опорах двигателей и редукторов, шарнирах, соединениях муфт, рессорах, опорных поверхностях пружин, отверстиях под подшипники качения.

Изнашивание при фреттинге имеет следующие отличительные особенности от обычного изнашивания при скольжении: 1) вследствие малой амплитуты смещений удаление продуктов износа из зоны трения затруднено и повреждения сильно локализованы на площадках действительного контакта; 2) скорость относительного перемещения контактирующих поверхностей намного ниже скоростей однонаправленного трения скольжения; 3) если при обычном трении скольжения присутствие кислорода может уменьшить износ, то в условиях фреттинга кислород усугубляет повреждение. Продуктами износа при фреттинге металлов являются в основном их оксиды. Повреждения от изнашивания при фреттинге проявляются в виде натиров, налипаний металла, вырывов или раковин, часто заполненных порошкообразными продуктами коррозии, полос или канавок локального износа, а также поверхностных микротрещин. На поверхностях подверженных фреттингу, возникают схватывание, микрорезание, а также усталостное разрушение микрообъемов, сопровождающееся окислением. Наиболее эффективными смазочными материалами для деталей работающих в условиях фреттинга являются полигликольные эфиры и диэфиры, а также твердые смазочные материалы на основе Pb, In, графита и MoS₂.

Изнашивание при заедании возникает в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность. Под схватыванием металлов при трении понимают явление местного соединения двух твердых тел, происходящего вследствие действия межатомных сил. Схватывание металлических поверхностей происходит при различных условиях трения: между одинаковыми и различными материалами, на воздухе, в газовых и жидких средах, при высоких и отрицательных температурах. Наиболее интенсивно схватывание развивается в вакууме, а также в нейтральных и восстановительных газовых средах. В условиях трения наблюдаются две разновидности схватывания металлических поверхностей: атермическое (схватывание I– го рода) и тепловое (схватывание II– го рода). Сближение атомов контактирующих материалов на расстояние межатомных взаимодействий, электронный обмен приводят к образованию узлов (мостиков) схватывания. Механические свойства узлов схватывания зависят от процессов рекристаллизации, диффузии, релаксации напряжений. Рекристаллизация приводит к образованию общих зерен в местах контакта, а диффузионные процессы сопровождают упрочнение, разупрочнение и охрупчивание материалов. В момент возникновения заедания, как правило, резко увеличивается коэффициент трения растет температура, повышается виброакустическая активность. Заедание проявляется в виде глубоких борозд, вырывов, наростов, рисок, оплавлений. Изнашивание при заедании может иметь лавинный, катастрофический характер и приводить к полному выходу узла трения из строя. Заедание имеет место в тяжелонагруженных зубчатых передачах, кулачковых механизмах, шарнирных соединениях, подшипниковых опорах, в цилиндро-поршневых парах, в направляющих станков в стационарных контактах при наличии вибрации. К методам повышения противозадирной стойкости следует отнести уменьшение удельных нагрузок, скоростей и температур за счет конструктивного совершенствования пар трения (например замена плоского толкателя на ролик в кулачковом механизме, создание разгрузочных канавок и каналов в шестеренных насосах, уменьшение модуля зацепления, коррекция формы зуба в передачах), рациональный выбор конструкционных и смазочных материалов для пар трения, использование устройств рационального вида и способа подвода масла в зону трения, создание на поверхностях деталей прочных пленок и вторичных структур (фосфатирование, цианирование, сульфидирование, сульфоцианирование), нанесение твердых смазок на предварительно фосфатированную поверхность, нанесение фрикционным способом тонкого слоя пластичных материалов (ФАБО) – латуни, бронзы, меди, накатка поверхностей роликом, ХТО – азотирование, выбор рациональных режимов обкатки машин и т.д.
Окислительное изнашивание – коррозионно-механическое изнашивание при котором преобладает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой. При окислительном изнашивании в процессе трения происходит взаимодействие активных, пластически деформированных поверхностных слоев металла толщиною 10–100 Нм с атомами кислорода воздуха или смазочного материала, адсорбированного на поверхностях. При этом образуются химически адсорбированные пленки твердых растворов и химических соединений металла с кислородом (Fe0, Fe₂O₃, Fe₃O₄), которые затем удаляются с поверхности трения. Особой характеристикой окислительного изнашивания является одновременность протекания двух процессов: микропластической деформации и диффузии кислорода в пластически деформируемые объемы металла. При окислительном изнашивании на поверхности трения всегда есть масляная пленка, адсорбированная пленка и пленка окислов. Этот вид изнашивания имеет две формы. При первой форме окислительного изнашивания на поверхности трения образуются твердые растворы кислорода и тонкие эвтектики его соединений с металлом; при второй — химические соединения кислорода с металлом. В первой форме изнашиваниие происходит путем образования пластичных пленок вторичных структур, перемещения их на поверхностях трения и непрерывного уноса из зоны контакта. Вторая форма характеризуется образованием хрупких пленок вторичных структур и периодическим их выкрашиванием, с отделением от поверхностей трения. Итак, при окислительном изнашивании происходит постоянное образование и разрушение тончайших пленок вторичных структур. Интенсивность разрушения зависит от среды и условий нагружения. Процесс изнашивания интенсифицируется при повышении температуры, ударах и вибрациях, так как резко активизируется пластически деформированный металл. скорость окислительного изнашивания по сравнению с другими видами невелика и составляет 0,05–0,1 мкм/ч.

Изнашивание при фреттинг-коррозии – коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях. У изнашивания при фреттинге и фреттинг-коррозии много общего, однако основное отличие заключается в том, что в первом случае изнашивание происходит при отсутствии агрессивной среды без проявления химической реакции материалов деталей и продуктов изнашивания с кислородом. Отличительным признаком изнашивания при фреттинг-коррозии (ФК) наличие на поверхностях трения окрашенных пятен, раковин заполненных спрессованными порошкообразными продуктами коррозии. Области возникновения и развития ФК аналогичны изнашиванию при фреттинге.

Электроэрозионное изнашивание – эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока. Этому виду изнашивания подвержены скользящие контакты электрических машин (коллекторы, щетки стартеров, гннераторов) и сварочных аппаратов, детали прерывателя-распределителя, электроды свечей зажигания, контакты магнето и реле-регулятора. В радиоэлектронной аппаратуре, средствах автоматики и связи изнашиваются подвижные контакты реостатов, потенциометров, кодовых датчиков, реле. Сущность изнашивания заключается в том, что вследствие механического изнашивания или загрязнения поверхностей щеток и контактных колец электрических машин, недостаточного давления пружин возникает зазор между деталями, электрическая цепь системы размыкается и в ней накапливается энергия. Рост напряженности электрического поля образует между деталями искровой разряд. При этом мгновенно нагревается небольшая часть поверхностей деталей цепи до температуры 10000-15000 °С. Под действием высокой температуры небольшой объем металла плавится, закипает и взрывается. При этом частицы расплавленного металла выбрасываются в окружающее пространство. Электроэрозионное изнашивание деталей работающих в условиях искровых разрядов, объясняется тем, что электроны вылетающие с катода, выбивают с поверхности анода частицы металла. Эти частицы рассеиваются в окружающей среде и частично переносятся на катод. Принцип электроэрозии положен в основу обработки твердых материалов, заточки твердосплавного инструмента, прошивки отверстий малого диаметра, удаления из отверстий сломанных шпилек и метчиков, а также нанесения износостойких покрытий.

Разрушение деталей машин при отсутствии трения может быть сле-
дующих видов: а) от нагрузок, вибраций, ударов (усталостные разрушения, пластические деформации, тепловые разрушения); б) от внутренних напряжений (коробление, изгиб, скручивание); в) от коррозии (химическая и электрохимическая коррозия).

Усталостное разрушение. Усталостью металла называется процесс
постепенного накопления повреждений материала под действием пов-
торно-переменных напряжений, приводящих к образованию трещин и
разрушению. К деталям, подверженным усталостному разрушению, относятся коленчатые валы, рессоры, шатуны, полуоси, валы рулевых сошек и т.д. Возникновение трещин усталости связано с особенностями крис-
таллического строения металлов. В отдельных кристаллах под дейст-
вием внешних сил возникают большие напряжения я появляется плас-
тическая деформация, а в других кристаллах, образуется только упругая
деформация. Под действием знакопеременной нагрузки процесс пластической деформация в отдельных зернах (кристаллах) может быть исчерпан,
что приводит к возникновению трещин. Причинами, снижающими усталостную прочность деталей, являются: несоблюдение радиусов перехода, наличие рисок, раковин. Характерным признаком усталостного разрушения деталей является наличие на поверхности излома двух зон: зоны развития трещины о гладкой поверхностью; зоны поломки с шероховатой (кристаллической) поверхностью. При эксплуатация около 80 % поломок деталей происходят по причине усталостных изломов.

Пластическое деформирование деталей проявляется в виде изгиба или смятия. Эти разрушения происходят под действием статических, динамических, тепловых нагрузок и от внутренних напряжений. Так изгибаются, коробятся, окручиваются, трескаются и разрушаются детали рам тракторов, автомобилей и корпусные детали.

Коррозией называют процесс разрушения поверхности металла при
химическом дли электрохимическом воздействии окружающей среды.

Химическая коррозия развивается в агрессивных средах, являет-
ся прямым соединением металла с элементами этих сред и протекает
непосредственно между участвующими в ней компонентами, находящими-
ся в молекулярном состояния. Химической коррозии подвергаются кла-
паны двигателей, головки блоков цилиндров, детали цилиндро-поршневой группы.

Электрохимическая коррозия имеет место при соприкосновении металла с жидкостью, проводящей электрический ток (электролитом), и
сопровождается как переходом металла в раствор, так и переносом
электронов о одного участка металла на другой. Зерна металла обычно служат анодами, а всякого рода загрязнения и примеси - катодами. Образуются как бы микроскопические гальванические пары, в которых растворяется анод и поэтому происходит разрушение металла. Электрохимической коррозии подвержены детали кузова, рамы, подвески л т.д. Способы защиты – консервационные покрытия (ингибированные консервационные материалы НГ-203, ЯГ-204; микровосковые составы, ЗВВД – защитная водно-восковая дисперсия).

Контрольные вопросы

1. Классификация видов изнашивания.

2. Механизмы различных видов изнашивания, примеры деталей и методы повышения износостойкости?

3. Что называется химической коррозией и какие детали подвергаются этому виду разрушения?

4. В чем заключается отличие усталостного изнашивания от усталостного разрушения и каковы их механизмы?

5. Какие факторы увеличивают интенсивность абразивного изнашивания и как снизить их влияние?

Таблица 2.1 – Форма отчета к работе 2

Вид изнашивания (разрушения)	Наименование деталей
1.Механическое: абразивное и т.д. 2. Коррозионно-механическое:	1. 2. 3.

Работа 3,4. ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

Дата добавления: 2015-04-30