Види тертя

Види тертя класифікують за такими ознаками:

– наявністю відносного руху (тертя спокою, тертя руху);

– характером відносного руху (тертя ковзання, тертя кочення);

– наявністю мастила (тертя з мастилом і без нього).

Тертя руху — це тертя двох тіл, що рухаються одне відносно одного.

Тертя ковзання — це тертя, коли відносні швидкості тіл в точці дотику різні за значенням або напрямком.

Тертя кочення — це тертя, коли відносні швидкості тіл в точці дотику однакові.

За наявністю мастила в зоні контакту, тертя поділяється на:

— рідинне — контактуючі поверхні розділені стійкою плівкою оливи (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 — Рідинне тертя

При такому терті створюються умови для гідродинамічного контакту і сила тертя F за М.П. Петровим

, (2.3)

де h — абсолютна в’язкість оливи; u — швидкість переміщення тертьових поверхонь; S — площа контактуючих поверхонь; h — товщина шару оливи.

— граничне (за деякими авторами напівсухе або напіврідинне тертя) — тертя, коли тонка плівка оливи (до 0,1 мкм) нестійка, часто руйнується і створюються сприятливі умови для інтенсивного спрацювання (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 — Граничне тертя

Цей вид тертя виникає при пусках двигунів внутрішнього згоряння, компресорів, при зупинках в навантажених вузлах.

— сухе тертя — тертя, коли існує контакт мікронерівностей і відсутній шар оливи. При цьому створюються умови для руйнування або деформації мікронерівностей (абразивне спрацювання), руйнування окисних плівок (окислювальне спрацювання).

Спрацювання. Природа і класифікація процесів спрацювання

Спрацювання — це процес зміни розмірів і форми тіла при терті, яке проявляється в відокремленні з поверхні тертя матеріалу і (або) його залишкової деформації.

Найбільш характерними процесами і явищами, які супроводжують взаємодію мікрорельєфів і виникнення фрикційних зв’язків є:

— виникнення високих локальних температур, утворення плівок окислів або інших хімічних з’єднань.

— попадання оливи в мікротріщини, яка діє як гідроклин і сприяє руйнуванню;

— вирішальна роль оливи в процесі спрацювання;

— процеси переносу матеріалу з однієї поверхні тертя на іншу.

Класифікація видів спрацювання

Механічне спрацювання — проходить в результаті механічної і тільки механічної взаємодії тіл.

Молекулярно-механічне спрацювання додатково до механічної взаємодії тіл процес супроводжується взаємодією молекулярних і атомарних сил.

Корозійно-механічне спрацювання проходить при терті тіл, матеріал котрих вступив в хімічну взаємодію з середовищем.

Абразивне спрацювання — це спрацювання, на поверхнях яких є абразивні частинки, які руйнують поверхні за рахунок різання і дряпання матеріалу з утворенням стружки.

Підвидами абразивного спрацювання є гідроабразивне і газоабразивне спрацювання, які проходять в результаті дії потоку твердих частин відповідно рідини чи газу.

Втомнісне спрацювання є наслідком циклічної дії на виступи поверхонь, що труться. Відокремлення частинок матеріалу при цьому спрацюванні може проходити в результаті наклепу поверхневого шару, який стає пухким і руйнується (фактично явище пітінга). Наприклад, спрацювання поверхні зубців шестерні коробки передач автомобіля.

Адгезійне спрацювання — це спрацювання, пов’язане з виникненням в локальних зонах контакту інтенсивної молекулярної взаємодії, сили якої перевищують сили зв’язку шару з основним матеріалом деталей. Як правило це призводить до схоплювання ділянок, що контактують, глибинному вириванню матеріалу і переносу його. Як наслідок таких явищ є заїдання пар тертя.

Окислювальне спрацювання проходить при наявності на поверхні тертя окисних плівок, які утворилися в результаті взаємодії атомами кисню, який міститься в повітрі або в мастилі і абсорбується на поверхнях. Інтенсивність окислювальних процесів залежить від виду тертя, швидкості відносного переміщення, тиску, динамічності прикладання навантаження, температури середовища, механічних та хімічних властивостей тертьових матеріалів, тощо.

Спрацювання при фретинг-корозії проходить при відносних коливальних переміщеннях металевих поверхонь в результаті вібрації або періодичних деформацій елементів конструкції.

Під час фретинг-процесів проходить досить інтенсивне окислення і схоплювання. Це пояснюється тим, що в контакті тертя різко збільшується градієнт деформацій і температур.

Фретинг-процес, як правило, виникає під час тертя ковзання з дуже малим зворотно-поступальним переміщенням при динамічному прикладанні навантаження.

Спрацювання супроводжується і зминанням, тобто об’ємними пластичними деформаціями металу, які пов’язані зі зміною форми при навантаженнях, вищих від границі текучості.

Вплив мікро- та макроструктури матеріалу деталей на їх фізико-механічні властивості та спрацювання

Для підвищення стійкості металу спрацюванню, тобто підвищення механічних властивостей металевих сплавів (покращання структури) використовують такі методи термічної обробки:

— загартування на мартенсит;

— ізотермічна обробка — утворюється підвищена густина дислокацій;

— легування;

— дисперсійне твердіння (перетворення аустеніту в мартенсит, утворення карбідних фаз тощо).

Класифікація спрацювання по швидкості
протікання актів руйнування

На швидкості протікання актів руйнування спрацювання поділяється на:

1) швидке спрацювання — абразивне, адгезійне, фпетинг-корозія спрацювання;

2) середньої швидкості — втомленісне (крихке), молекулярний переніс, окислювальне;

3) повільні спрацювання — втомленісне, окислювальне (2, 3 форми).

В машинобудуванні, експлуатації машин 1, 2 форми працювання недопустимі.

Основна діаграма спрацювання деталей машин

Для розрахунку і прогнозування надійності машин, вибору матеріалів необхідно знати числові характеристики спрацювання. До них відносяться:

1 — величина лінійного спрацювання — це змінного розміру деталі в напрямі, перпендикулярному до поверхні тертя, яке вимірюється в мікронах;

2 — швидкість спрацювання V

, . (2.4)

де dU — зміна величини спрацювання в мкм; dt — час, год.

3 — інтенсивність спрацювання j

, (2.5)

де dS — відносний шлях тертя, мм.

Процес спрацювання в часі характеризується наступною діаграмою (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 — Основна діаграма спрацювання

І — зона (період) припрацювання;

ІІ — зона нормального спрацювання (експлуатаційне спрацювання);

ІІІ — катастрофічне спрацювання — експлуатацію об’єкта необхідно припинити.

Швидкість спрацювання в часі характеризується діаграмою на рисунку 2.7.

Рисунок 2.7 — Діаграма швидкості спрацювання в часі

В зоні експлуатаційного спрацювання V=const. В зоні катастрофічного спрацювання швидкість спрацювання росте через накопичення абразивів.

Швидкість спрацювання V залежить від тиску на поверхні тертя і швидкості відносного ковзання V _к.

В умовах тертя без оливи

, (2.6)

де к — коефіцієнт, який характеризує матеріал пар тертя, п, т — коефіцієнт спрацювання, які залежать від виду тертя.

, . (2.7)

На швидкість спрацювання суттєво впливають механічні характеристики матеріалу, його хімічний склад, структура поверхневого шару, термообробки.

Вибір зносостійких матеріалів і типові пари тертя

Вимоги до матеріалу пар тертя

1) легке припрацювання;

2) висока зносостійкість при нормальних умовах роботи;

3) низький коефіцієнт тертя, який мало змінюється залежно від швидкості ковзання;

4) відсутність схоплення (молекулярного) при недостатньому змащуванні;

5) достатня жорсткість стику пар тертя;

6) висока теплопровідність;

7) низький коефіцієнт теплового розширення;

8) хороше змащування мастилами;

9) хороші технологічні властивості;

10) кислото- і лугостійкість, низьке водопоглинення, відсутність текучості (для пластмас).

Типові пари тертя:

1) сталь — антифрикційний кольоровий сплав на основі цинку, олова, свинцю, міді — використовуються в підшипниках ковзання, черв’ячних парах;

2) сталь — полімерний матеріал — використовується в черв’ячних передачах, направляючих маловідповідальних механізмів;

3) сталь — фрикційний сплав, використовується там, де необхідний високий коефіцієнт тертя — гальмівні механізми транспортних засобів;

4) сталь — чавун, використовується там, де потрібна висока теплостійкість — гальма вагонів — температура піднімається до 1000 °С;

5) сталь — антифрикційний чавун — використовується в направляючих верстатів, гільзи циліндрів — кільця двигунів внутрішнього згорання, пари тертя гідросистеми;

6) сталь — матеріал, що самозмащується (пористі спечені псевдосплави на основі міді, свинцю, графіту). Подача мастила здійснюється за рахунок структури матеріалу пар. Такі пари використовуються в шарнірах, підшипниках ковзання.

Пари тертя повинні забезпечувати відповідний клас зносостійкості по інтенсивності спрацювання. Класів зносостійкості є 9.

Сфери вживання класів зносостійкості пар тертя:

0, 1, 2 — поршневі кільця, калібри;

3, 4 — направляючі верстатів, пари тертя гідросистеми;

5, 6, 7 — диски і колодки гальма;

8, 9 — шнека, зубці ковшів екскаваторів.

По швидкості спрацювання пари тертя теж поділяються на 10 класів.

Методи оцінки спрацювання деталей машин

Оцінку спрацювання по продуктах спрацювання в оливах часто називають визначенням заліза в оливі. Суть методу полягає в тому, що періодично через певне напрацювання проводиться відбирання проб відпрацьованих олив, в яких накопичуються продукти спрацювання - металочастинки, окисли сплавів, продукти хімічної взаємодії металів з активними компонентами олив.

Точність методу 10^-6-10^-8 г/см³.

Цей метод дозволяє уникнути демонтажу машин.

Для аналізу проб олив використовуються такі методи:

1) хімічний — оснований на визначенні складу заліза в золі спаленої маслопроби;

2) спектральний — оснований на визначенні металевих складових спектрального складу полум'я при спалюванні маслопроби. Метод складний, дорогий і вимагає високої кваліфікації працівників;

3) радіометричний — оснований на вимірюванні радіоактивності продуктів спрацювання, які знаходяться в оливі в результаті спрацювання радіоактивних деталей. Радіоактивність деталей створюється введенням в плавку матеріалу деталей радіоактивних елементів або покриттям їх радіоактивним шаром. Метод дорогий і небезпечний.

4) активаційний — полягає в аналізі спектрів гама-випромінювання проб олив після їх опромінювання нейтронами.

Метод мікрометричних вимірювань здійснюється при допомозі мікрометрів, індикаторів і інших приладів до і після спрацювання. Точність методів — 1-10 мкм.

Невеликі деталі вимірюються за допомогою універсальних мікроскопів, оптиметрів, проекторів, вимірювальних машин – це традиційний метод.

Для вимірювання необхідно мати базу вимірювання. Наприклад, при вимірюванні спрацювання шийки колінчатого валу треба мати спрацьований поясок шийки.

При малих значеннях спрацювання використовують профілографування, коли про спрацювання судять за профілограмою, знятою з спрацьованої і нової деталі шляхом накладання профілограм.

Метод штучних баз заключається в тому, що на поверхню, яка спрацьовується наносять заглиблення визначеної форми у вигляді конуса, піраміди або лунки і по зменшенні величини заглиблення (лінійний розмірів його) судять про величину спрацювання.

Є три різновидності методу штучних баз:

1 — метод відбитків, який полягає в тому, що на поверхні деталі алмазною чотиригранною пірамідою з квадратною основою і кутом при вершині в 136° роблять заглиблення.

Виміри розмірів відбитка роблять оптичним мікроскопом.

Про величину спрацювання судять по різниці лінійних розмірів l ₀- l ₁.

Недолік методу відбитків в тому, що при прикладанні сили Р утворюється невелика випучина.

2 — метод заглиблень (проф. М.М. Хрущов) заключається в тому, що поверхні спрацювання вирізається “лунка” і про величину спрацювання судять так само по різниці лінійних розмірів “лунки” l ₀- l ₁.

Dh — величина спрацювання;

l_o, l₁ — лінійні розміри “лунки” до і після спрацювання

Рисунок 2.9 — Метод заглиблень або “лунок”

Точність методу — ± (1¸2) мкм.

На метод є стандарт держави.

Для виміру розмірів “лунок” використовується спеціально розроблені прилади, наприклад, зносомір П-3.

3 — метод негативних відбитків, який полягає в тому, що з поверхні, де зроблено заглиблення роблять з допомогою самозатверджуючої маси (наприклад, стиракрил) відбиток. Замірюють його розміри. Після спрацювання роблять другий відбиток і по різниці розмірів їх судять про величину спрацювання поверхні, де зроблено заглиблення.

2.10 Характерні дефекти спрацювання типових деталей

і технологія їх контролю

2.10.1 Класифікація дефектів

Дефект — це кожна окрема невідповідність продукції вимогам, встановленим нормативною документацією.

Дефекти поділяють на:

1) критичні — дефекти, при яких використовувати деталь за призначенням практично неможливо, або забороняється відповідно до вимог технічки безпеки;

2) значні — дефекти, які істотно впливають на використання деталі;

3) малозначні — дефекти, які істотно не впливають на використання деталі і на її довговічність.

За місцем розташування дефекти поділяються на зовнішні і внутрішні

Зовнішні дефекти визначаються методами вимірювання, а внутрішні — різними способами структуроскопії (магнітодефектоскопія, рентгеноскопія, ультразвукова дефектоскопія).

За можливістю виправлення дефекти поділяються на поправні і непоправні.

Поправні дефекти — це дефекти, виправити які технічно можливо і економічно доцільно.

Непоправні дефекти — це дефекти, виправити які технічно неможливо, а головне економічно недоцільно. Наприклад, тріщини втоми, значна корозія.

За причинами виникнення дефекти поділяються на:

1 — конструктивні — викликаються недосконалістю конструкції і помилками в конструюванні;

2 — експлуатаційні — виникають в результаті спрацювання, корозії, а також неправильної експлуатації. Наприклад, спрацювання деталей кривошипно-шатунного механізму компресора через неправильний підбір оливи.

3 — виробничі — це невідповідність вимогам нормативної документації на виготовлення чи ремонт деталі.

Виробинчі дефекти поділяються на шість груп:

1 — дефекти плавлення і лиття — відхилення хімічного складу матеріалу від заданого, шлакові включення, тріщини, газові пори, тощо;

2 — дефекти, що виникають під час обробки тиском — пориви, розшарування, тріщини;

3 — дефекти термічної та електро-хімічної обробки — тріщини, зневуглецювання, навуглецювання, перегрів, перепал;

4 — дефекти механічної обробки — дрібні тріщини, шліфувальні дефекти, порушення геометричних розмірів;

5 — дефекти монтажу і демонтажу, рихтувальні тріщини, погнутість, обломи різьби, порушення посадок;

6 — дефекти у з’єднаннях деталей — перегрів, неповне заповнення шва, непропаювання, тріщини.

Контроль блоків, гільз, гідроциліндрів

Характер і величину спрацювання цих деталей визначають так:

1) вимірюють діаметр верхнього неспрацьованого пояса (база);

2) індикаторним нутроміром вимірюють діаметр циліндра або гільзи в площі, перпендикулярні до осі колінчастого вала в трьох перерізах: Н6 (2 рази) і Н/2;

3) вимірюють діаметр циліндра або гільзи в площині, паралельній колінчастому валу в цих же перерізах;

4) визначають конусність і овальність циліндра або гільзи.

Н — висота гільзи; D_ц — діаметр спрацьованого пояска (база вимірювання)

1 — індикаторний нутромір

Рисунок 2.10 –

Величину спрацювання визначають

V _І= D _І- D_ц V _ІІ= D _ІІ- D_ц,

де V_І, V_ІІ — спрацювання в площинах паралельній і перпендикулярній до осі колінчастого валу; D _І, D _ІІ — діаметр циліндра в цих же площинах.

Конусність к визначають як

к=D_тах -D_тіп , (2.8)

де D_тах,D_тіп — максимальний і мінімальний діаметри циліндра в одній площині, але в різних перерізах.

Овальність О визначають як

О=D¢_тах -D¢_тіп , (2.9)

де D¢_тах,D¢_тіп — максимальний і мінімальний діаметри циліндра в одному перерізі, але і різних взаємоперпендикулярних площинах.

Максимальні значення конусності к і овальності О не повинні перевищувати допустимі, встановлені нормативно-технічною документацією на дані деталі.

Контроль колінчастих валів

Основні дефекти колінчастих валів — це погнутість, спрацювання корінних і шатунних шийок, тріщини.

Погнутість колінчастих валів перевіряють в центрах токарного верстата або спеціального пристрою на биття індикатором годинникового типу.

Биття вала визначають за середньою шийкою як різницю між найбільшим і найменшим відхиленням стрілки індикатора за один оберт колінчастого валу.

Овальність і конусність визначають аналогічно блоком і циліндром в двох перерізах. Тріщини валів визначають зовнішнім оглядом або магнітним дефектоскопом.

Контроль зубчастих коліс

Основний дефект зубчастих коліс — це спрацювання зубців по товщині, тріщини, поломки. Виміри спрацювання здійснюються штангензубомірами, спеціальними шаблонами або оптичними приладами.

Тріщини і поломки виявляються теж зовнішнім оглядом і дефектоскопією.

Контроль кулькових і роликових підшипників

Основні дефекти підшипників — це недопустимо збільшені радіальні і осьові зазори через спрацювання бігових доріжок, поломки обойм і сепараторів, тріщини, викришування через перегрів (зміна кольорів мінливості на бігових доріжках).

Контроль зазорів в підшипниках здійснюється на спеціальних пристроях. Інші дефекти виявляються зовнішнім оглядом або дефектоскопією.

Контроль шліцевих валів

Основний дефект шліцевих валів — це погнутість, спрацювання місць під підшипники, спрацювання шліців по ширині, биття.

Биття валів перевіряють індикатором годинникового типу аналогічно колінчатим валам. Місця під підшипники заміряють штангельциркулем, мікрометрами або граничними скобами.

Спрацювання шліців контролюють шаблонами.

3.1 Основні положення Підвищення надійності

В теорії надійності розглядаються наступні узагальнені об’єкти:

виріб – одиниця продукції, яка випускається даним підприємством, цехом

і т. д., наприклад підшипник, верстат, автомобіль;

елемент – найпростіша складова частина виробу;

система – сукупність елементів, призначена для самостійного виконання заданих функцій.

Вироби поділяються на ті, що відновлюються споживачем, наприклад, верстат, автомобіль і на ті, що не відновлюються, наприклад, підшипник, електрична лампа.

Справність – це стан виробу, при якому він відповідає основним і додатковим вимогам. Справний виріб обов’язково повинен бути роботоздатним.

Несправність – стан виробу, при якому він не відповідає хоча би одній вимозі технічної документації.

Відмова – подія, яка заключається в повній або частковій втраті роботоздатності.

Відмови є двох типів:

­- відмови функціонування – це відмови, при яких виконання функцій об’єкту призупиняються (наприклад, руйнування зубців шестерні);

- відмови параметричні – відмови, при яких деякі параметри об’єкту змінюються в недопустимих границях (наприклад, втрата точності верстата).

-

Причини відмов поділяють на випадкові і систематичні.

Випадкові причини – це непередбачені перевантаження, дефекти матеріалу, помилки обслуговуючого персоналу та інші. Наприклад, тверді включення в металі при обробці, нерівності дороги, неправильний зажин заготовки.

Систематичні причини – це закономірні явища, які викликають накопичення пошкоджень – вплив середовища, часу, температури – корозія, навантаження і робота тертя – втома, спрацювання.

У відповідності з причинами і характером розвитку, відмови поділяються на:

раптові – руйнування від перевантажень;

поступові по розвитку і раптові по проявленню – втомне руйнування, перегоряння;

поступові – спрацювання, корозія.

По причинах виникнення відмови можна також розділити на:

- конструкційні – викликані недоліками конструкції

- технологічні – викликані порушенням технології;

- експлуатаційні – викликані неправильною експлуатацією.

За своїми наслідками відмови можуть бути:

- легкими – легко відновлюються;

- середніми – не викликають руйнування інших вузлів;

- важкими – викликають важкі вторинні руйнування, а іноді і людські жертви.

Випадкові величини і їх характеристики

Середнє напрацювання до відмови – це математичне очікування напрацювання до відмови виробу, що не відновлюється.

Середнє напрацювання на відмову – це відношення напрацювання виробу, що відновлюється до математичного очікування числа його відмов на протязі цього напрацювання.

Інтенсивність відмов l(t) – це показник надійності, який дорівнює відношенню середнього числа виробів, що відмовили в одиницю часу Dt до числа об’єктів, що залишилися роботоздатними N_P.

В статистичній трактовці це l(t)=.

Розподіл відмов в часі характеризується функцією густини розподілу f(t)

напрацювання до відмови.

В статистичній трактовці це f(t)=,

де як відомо:

N – кількість об’єктів, що випробувалися на протязі часу t;

N_P – кількість елементів, що залишилися роботоздатними;

n – кількість елементів, що відмовили в роботі.

Основне рівняння теорії надійності

. (3.8)

Цей вираз є одним із основних рівнянь теорії надійності.

Надійність в період раптових відмов

При визначенні ймовірності безвідмовної роботи P(t) використовують таблиці, складені на основі рівняння (А), не вираховуючи кожного разу інтеграл. При цьому використовують значення випадкової величини U_P – квантілі нормованого нормального розподілу ймовірності, яка відповідає заданій ймовірності

, (3.9)

де t – час випробування або напрацювання;

m_X – математичне очікування параметра (середнє значення);

– середнє квадратичне відхилення параметра.

Для оцінки розсіювання параметру використовують коефіцієнт варіації V_X, який дорівнює

. (3.10)

Визначення ймовірності безвідмовної роботи по заданих критеріях

Так як роботоздатність деталей машин характеризується великою кількістю критеріїв, то розрахунок зводиться до співставлення розрахункових параметрів з їх граничними величинами (границею міцності, роботоздатності
і т.д.).

В цьому випадку ймовірність безвідмовної роботи P(t) по заданому критерію визначається по таблиці 3.1 нормованого нормального розділу по U_P.

, (3.11)

де – середнє значення коефіцієнта запасу надійності (міцності, роботоздатності і т.д.);

– коефіцієнт варіації граничного параметра;

V_Р - коефіцієнт варіації розрахункового параметру;

. (3.12)

де – середнє значення граничного параметру;

– середнє значення розрахункового параметру.

Види палив

В загальному розрізняють наступні види палив:

— паливо для поршневих двигунів з запаленням від іскри — бензини;

— паливо для поршневих двигунів з запаленням від стиску — дизельне паливо;

— паливо для реактивних двигунів;

— паливо для газотурбінних двигунів;

— котельне паливо;

— альтернативні види палив (пропан, бутан, метан, водень, спирти, ефіри).

Дата добавления: 2014-01-06