НГПО. Ремонт и мотаж НПО. А. А. Раабен п. Е. Шевалдин н. Х. Максутов ремонт и монтаж
 Скачать 2.04 Mb.
|
|
ГЛАВА III ИЗНОС И ВОССТАНУ ЗУ Eli НЕ ДЕТ/. У L,ri мАШИН § 1. ПРИЧИНЫ ИЗНОСА ОБОРУДОВАНИЯ. классификация видов РАЗРУШЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ИХ ПРИЧИНЫ Буровое и нефтепромысловое оборудование работает на открытом воздухе и подвержено всем вредным влияниям окружающей среды, а также коррозионному воздействию бурового раствора, соленой воды и нефти. Кроме того, узлы и детали оборудования испытывают динамические и вибрационные нагрузки, вызывающие интенсивный износ агрегатов. Наблюдения за износом и повреждениями деталей машин при эксплуатации позволяют выделить пять основных видов разрушения деталей: 1) деформацию и изломы (хрупкий излом, вязкий излом, остаточная деформация, усталостный излом, контактные усталостные повреждения); 2) механический износ (истирание металлических пар, абразивный износ); 3) эрозионно-кавитационные повреждения (жидкостная эрозия, кавитация, газовая эрозия); 4) коррозионные повреждения (атмосферная коррозия, коррозия в электролитах,' газовая коррозия); 5) коррозионно-механические повреждения (коррозионная усталость, коррозионное растрескивание, коррозия при трении)s Деформация и изломы возникают при чрезмерном увеличении напряжения в материале детали, превосходящем предел текучести или предел прочности. Деформация материала сопровождается изменением формы и размеров детали. Механический износ проявляется в результате взаимодействия трущихся пар. В зависимости от природы трущихся пар и условий их взаимодействия различают износ металлических пар при трении качения или скольжения и абразивный износ. Интенсивность износа зависит от условий взаимодействия трущихся пар. По характеру смазки различают три основных вида трения. Жидкостное трение — трущиеся поверхности тел совершенно отделены друг от друга слоем смазки. Трение при неполной или несовершенной смазке — трущиеся поверхности частично соприкасаются своими выступами. Этот вид трения разделяется на три подвида: а) полужидкостное трение, когда слой смазки недостаточно толст и происходит частичное сухое трение (твердое трение); б) полусухое трение, когда происходит трение твердых поверхностей, на которых имеется некоторое количество смазки; в) граничное или молекулярное трение, когда геометрическая форма трущихся тел правильная, а обработка поверхностей высокого класса чистоты, в результате чего между трущимися поверхностями образуется молекулярная пленка смазки. Сухое трение — трение металлических поверхностей без смазки. Наименьший износ трущихся пар отмечается при жидкостном трении. Сопряжения, работающие в условиях жидкостного трения, изнашиваются при пуске машины, перегрузках и применении несоответствующей смазки. По условиям жидкостного трения рассчитывают подшипники скольжения валов, имеющих большую частоту вращения. Если вал находится в покое, то он касается поверхности подшипника. При вращении вал захватывает и увлекает в клинообразный зазор смазку, создавая разделяющую жидкостную пленку. Во многих современных машинах осуществить жидкостное трение не удается, и в этих условиях происходят процессы сухого и граничного трения. Поскольку эти два вида трения обусловлены взаимодействием неровностей поверхностей пар трения, характер шероховатости оказывает существенное влияние на интенсивность износа материала. Очень гладкие поверхности склонны к возникновению узлов схватывания, вызванных молекулярными силами. Следовательно, для обеспечения максимальной износостойкости необходимо выбирать оптимальную шероховатость поверхности, при которой коэффициент трения будет наименьшим. Абразивный износ проявляется в подвижных сопряжениях вследствие царапающего и режущего действия твердых абразивных частиц. В результате абразивного износа детали машин интенсивно разрушаются. Эрозионно-кавитационные повреждения деталей машин и оборудования возникают при действии на металл потоков жидкости или газа, загрязненных механическими примесями и движущихся с большой скоростью. На участках, где давление жидкости падает ниже давления насыщенных паров, возникают пузырьки пара и воздуха. Исчезая с большой скоростью в зоне повышенного давления, они вызывают гидравлические удары о поверхность металла и его разрушение. С увеличением твердости поверхности интенсивность разрушения резко снижается. Коррозия металлов и сплавов представляет собой процесс их разрушения вследствие химического и электрохимического воздействия внешней среды. По характеру внешней среды коррозия разделяется на три основных вида: атмосферную, газовую и коррозию в электролитах. Коррозионно-механические повреждения возникают под влиянием коррозии и механических факторов (напряжений, деформаций, трения и др.). Например, коррозионная усталость представляет собой процесс разрушения металлов и сплавов при одновременном воздействии коррозионной среды и циклических напряжений. Для повышения долговечности деталей, машин, работающих в условиях коррозионной усталости, необ5ходимо тщательно изолировать рабочую поверхность детали от коррозионной среды, снижая величину и цикличность напряжений, действующих в поверхностных волокнах металла. Из изложенного выше следует, что износ — это сложный и многообразный процесс. Его можно уменьшить, но устранить полностью нельзя. Все встречающиеся в машинах износы можно разделить на две группы: естественные и аварийные. Износы, медленно нарастающие и являющиеся следствием длительной работы сил i трения, воздействия высоких температур, кислот и щелочей при нормальных условиях эксплуатации, называются естественными. Аварийные износы возникают из-за грубых нарушений правил технического обслуживания и эксплуатации. Наиболее распространен механический износ. В работе каждой трущейся пары более или менее четко выделяются три периода: приработка, период естественного износа, аварийный износ. Период приработки характеризуется увеличением износа, который объясняется сглаживанием неровностей сопрягаемых поверхностей до достижения стабильной шероховатости и постоянной площади контакта. Важно соблюдать нормальные условия приработки, так как это позволяет предотвратить преждевременный выход оборудования из строя. Период естественного износа характеризуется приблизительно постоянной скоростью изнашивания. Третий период характеризуется быстрым j нарастанием износа, так как увеличение зазора в сопряжении приводит к работе с ударом между деталями, что вызывает повышенные пластические деформации материала. Эта зона износа называется аварийной, а износ носит название предельного. Если деталь достигла предельного износа, ее необходимо немедленно заменить новой или восстановить. В отличие от предельного износа в ремонтной практике различают допустимый износ, при котором деталь в процессе ремонта может быть оставлена в машине, если ее предельный износ наступит не раньше следующего ремонта. Существует и выбраковочный износ, который определяет полную непригодность детали к работе и восстановлению. Это относится к деталям, которые работали в зоне аварийного износа. Нельзя доводить оборудование до аварийного износа. Его следует остановить до того, как износ станет предельным. Этого можно добиться только путем строгого соблюдения графиков технического обслуживания и ремонтов, в процессе которых получают наиболее достоверные данные о величине износа. § 2. Методы повышения долговечности ДЕТАЛЕЙ МАШИН Долговечность машины зависит от совокупности влияния разнообразных факторов, которые проявляются на всех этапах ее создания и эксплуатации. При этом долговечность отдельных деталей может существенно отличаться от долговечности машины в целом. Методы повышения долговечности деталей машин можно разделить на три основные группы: 1) конструктивные; 2) технологические; 3) эксплуатационные. Конструктивные методы повышения долговечности деталей машин включают в себя комплекс мероприятий, связанных с созданием рациональной конструкции машины. Среди них наиболее важными являются правильный выбор конструктивного решения, от которого зависит работоспособность сопряженных деталей в эксплуатации, экономичность и эффективность агрегата, а также правильный выбор конструктором материала и обеспечение равнопрочности деталей и узлов. Чтобы обеспечить длительную эксплуатацию узлов машины, конструктор обязан предусмотреть простоту их обслуживания и ремонта. К технологическим методам повышения долговечности деталей машин относятся методы, применимые при изготовлении и ремонте деталей. Эти виды обработки позволяют значительно повысить прочность и износостойкость деталей. К механическим методам относятся: упрочнение поверхностей ремонтируемых деталей наклепом; различают дробеструйный наклеп, используемый для упрочнения пружин и рессор, наклеп цилиндрических деталей путем накатывания закаленным роликом или шариком, а также механическую чеканку; восстановление деталей электроискровым наращиванием металла с одновременным упрочнением; электромеханическая обработка поверхностей; поверхностная закалка с нагревом током высокой частоты, основанная на использовании электромагнитной индукции. К химико-термическим методам упрочнения деталей относятся цементирование, азотирование, цианирование, алитирование, борирование, хромирование и силицирование. Сконструированная и изготовленная машина сдается в эксплуатацию, где проявляются новые факторы долговечности и надежности. Эксплуатационные методы — составная часть комплекса мероприятий по увеличению долговечности машины. К ним в первую очередь относятся организационно-технические мероприятия, способствующие выполнению графиков плановопредупредительного ремонта, а также систематический контроль за износом сопряженных деталей. Большое влияние на интенсивность износа ответственных деталей машины оказывает качество ухода за машиной в эксплуатации, особенно своевременная смазка трущихся частей, предохранение их от загрязнения. И, наконец, эффективный метод продления срока службы машины — применение наиболее рациональных режимов эксплуатации, исключающих недопустимую перегрузку рабочих элементов машины. §3. КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ. КРИТЕРИЙ ВЫБОРА СПОСОБА ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ Под восстановлением изношенной детали понимают ее ремонт с доведением размеров, геометрической формы, чистоты поверхности и поверхностной твердости до первоначальных. Существуют различные способы восстановления изношенных деталей, каждый из которых имеет свою рациональную область применения. Наиболее широко используются следующие: восстановление деталей механической обработкой путем получения новых ремонтных размеров, заменой части детали или добавлением целой детали; восстановление давлением, когда деталь подвергается осадке, раздаче, обжатию, накатке, вытяжке или правке; наращивание изношенной детали слоем металла наплавкой, газотермическим напылением (металлизация) или гальваническими покрытиями. В последнее время получает распространение способ восстановления деталей полимерными материалами. Очевидно, что восстановление деталей механической обработкой и давлением — самые экономичные методы, не требующие долгой подготовки и специального оборудования. Чтобы выбрать способ восстановления и упрочнения детали, необходимо знать сроки службы новых и восстановленных деталей, руководствуясь коэффициентом износостойкости, а не абсолютными значениями продолжительности службы детали до предельного износа. Коэффициент износостойкости показывает, во сколько раз износостойкость данного покрытия детали больше или меньше износостойкости основного материала, применяемого для изготовления новой детали. Значения коэффициентов износостойкости получают в результате сравнительных испытаний при определенных условиях изнашивания. На основе этих испытаний можно составить ряд технологических вариантов восстановления и упрочнения типовых деталей ремонтируемого оборудования. Целесообразность применяемого способа восстановления и упрочнения детали в каждом отдельном случае зависит от ряда факторов: условий работы деталей сопряжения в машине; величины и характера износа; прочности детали к моменту ремонта; технических условий на восстановление; конструкции, материала и термической обработки ремонтируемой детали; наличия ремонтных средств; количества однотипных деталей, подлежащих восстановлению. Факторами, влияющими на выбор оптимального технологи- - ческого процесса восстановления и упрочнения детали, являются: сравнительная износостойкость и усталостная прочность; длительность пребывания деталей в ремонте (трудоемкость) ; дефицитность материалов и величина затрат на них; величина производственных затрат на восстановление деталей или сопряжений; относительная себестоимость восстановления детали и сопряжения в целом. Основным показателем оценки экономической эффективности восстановления изношенных деталей и определения целесообразности применения того или иного способа восстановления и упрочнения служит относительная себестоимость, т. е. себестоимость восстановления детали, отнесенная к сроку службы ее после ремонта. Этот показатель — наиболее комплексный и обобщенный, так как он отражает не только все элементы затрат, но и износостойкость деталей после их восстановления. Однако наряду с относительной себестоимостью немаловажное значение имеют данные о продолжительности и трудоемкости технологического процесса, примененных материалах и затратах на материалы. Таким образом, при выборе метода восстановления и упрочнения изношенной детали следует исходить из соображений технической и экономической целесообразности. При наращивании слоя толщиной в сотые доли миллиметра рекомендуется применять электрическое покрытие хромом; для слоя 1,5—2,0 мм — осталивание; для слоя 10—12 мм — металлизацию. Если допустима деформация детали, то наращивание может вестись электродуговой наплавкой вручную, автоматической наплавкой под слоем флюса. § 4. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ СПОСОБОМ РЕМОНТНЫХ РАЗМЕРОВ Сущность способа ремонтных размеров заключается в том, что одну из изношенных деталей сопряжения, обычно более трудоемкую, подвергают механической обработке до заранее установленного ремонтного размера для придания ей правильной геометрической формы и получения требуемой шероховатости поверхности, а другую деталь заменяют новой или заранее отремонтированной до этого же ремонтного размера, что обеспечивает первоначальную посадку в сопряжении. В паре вал — подшипник ремонтные размеры сопрягаемых поверхностей будут меньше, а в паре цилиндр — поршень больше первоначальных размеров. Применяют свободные и стандартные ремонтные размеры. В качестве свободного ремонтного размера принимают ближайший размер ремонтируемой детали, позволяющий получить требуемую геометрическую форму и шероховатость поверхности. Преимущества свободных ремонтных размеров — минимальная трудоемкость механической обработки и максимальное количество ремонтных размеров. Недостатки этого способа: 1) нельзя изготовить другую деталь сопряжения, пока не отремонтирована более трудоемкая; 2) исключается взаимозаменяемость деталей. Стандартные ремонтные размеры устанавливают заблаговременно, определяют их количество и числовые значения. Под эти размеры выпускаются комплекты запасных частей. Для определения ремонтных размеров пары вал — подшипник рассмотрим следующие два случая: износ вала равномерный по окружности (рис. 2, а); износ вала односторонний (рис. 2,6). Вал с равномерным износом ремонтируется механической обработкой (при наличии на изношенной поверхности царапин,  рисок и т. п.) либо (при хорошем качестве изношенной поверхности) заменой сопряженной детали деталью с ремонтными размерами. Ремонтные размеры шейки вала определяются из следующих соотношений   где dn — первоначальный диаметр вала, мм; dpi, dP2, dv3 — ремонтные размеры, вала, мм; δпр — максимальный износ вала на диаметр, мм; х — припуск на сторону на механическую обработку для получения ремонтного размера, мм; w — ремонтный интервал, мм.  При назначении числа ремонтных размеров следует учитывать, что изменение размеров детали уменьшает ее прочность, жесткость и в некоторых случаях приводит к увеличению удельных нагрузок. Число ремонтных размеров для валов  где dmin — предельно допустимый наименьший размер вала, мм. При восстановлении шейки вала с односторонним износом необходима механическая обработка для придания изношенной детали правильной геометрической формы и удаления дефектного поверхностного слоя. В этом случае ремонтные размеры шейки вала  Величину бпР определяют из уравнения  где Smax — максимально допустимый зазор в сопряжении, мм;Sнач — начальный зазор в сопряжении, мм; е — коэффициент, учитывающий, во сколько раз подшипник изнашивается быстрее, чем вал; δподш — износ подшипника, мм. Для регулировки зазора в подшипниках скольжения обычно применяют прокладки, постепенно удаляемые по мере изнашивания деталей для доведения зазора до величины Sнач. Обозначив общую толщину прокладок буквой т, получим:  Отсюда  Для внутренних цилиндрических поверхностей используют следующие расчетные формулы для первых и последующих ремонтных размеров: при равномерном износе  где Dн— первоначальный размер отверстия, мм; Dp1 Dр2, DP3 — ремонтные размеры отверстия, мм. Преимуществами способа ремонтных размеров являются увеличение срока службы и простота технологии ремонта дорогой и трудоемкой детали сопряжения; возможность заранее организовать изготовление заменяемых деталей сопряжения, что позволяет сократить сроки ремонта и снизить его стоимость. К недостаткам этого способа следует отнести необходимость замены сопряженной детали и наличие нескольких ремонтных размеров деталей, что помимо эксплуатационных неудобств требует создания лишнего резерва запасных частей. Несмотря на эти недостатки, ремонт крупных и дорогих деталей бурового и нефтепромыслового оборудования часто производят способом ремонтных размеров. Способ ремонтных размеров применяют при ремонте цилиндров компрессоров и двигателей внутреннего сгорания, цилиндровых втулок поршневых насосов, шеек коленчатых валов, зубчатого венца стола ротора и других деталей. § 5. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ СПОСОБОМ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ РЕМОНТНЫХ ДЕТАЛЕЙ Этот способ заключается в использовании дополнительных ремонтных деталей, которые закрепляют непосредственно на изношенной поверхности. Толщина дополнительных ремонтных деталей обычно значительно превышает величину износа ремонтируемой детали, в связи с чем перед установкой дополнительной детали необходимо удалить с изношенной поверхности слой металла. Пользуясь этим способом при восстановлении концевой шейки вала, обрабатывают шейку до меньшего размера, если позволяет механическая прочность, и напрессовывают дополни- тельную втулку, а затем производят ее механическую обработку до первоначального размера и требуемой шероховатости поверхности. Возможно дополнительное крепление втулки на валу штифтами, резьбовыми стопорами или электросваркой. При восстановлении шейки в средней части вала используют две полувтулки, которые устанавливают на предварительно обработанную шейку, крепят штифтами или сваркой, а затем производят их механическую обработку по наружной поверхности. Изношенные отверстия растачивают под больший размер и запрессовывают ремонтную втулку, которую обрабатывают до номинального размера отверстия детали. Толщина стенок ремонтных втулок из стали должна быть не менее 2—2,5 мм, из чугуна — 4—4,5 мм. К недостаткам рассматриваемого способа ремонта относится уменьшение механической прочности основной детали вследствие механической обработки. § 6. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ СПОСОБОМ ЗАМЕНЫ ЧАСТИ ДЕТАЛИ Способ заключается в удалении изношенной части детали и присоединении вместо нее дополнительной детали. Заменяемая часть детали соединяется с основной при помощи сварки, резьбы, клея или других способов, после чего производится ее окончательная механическая обработка для получения требуемой точности и шероховатости поверхности. Многие детали бурового и нефтегазопромыслового оборудования имеют одну или несколько прилегающих друг к другу поверхностей, изнашиваемых наиболее интенсивно. Подобные детали целесообразно ремонтировать способом замены части детали. Указанный способ используют, например, при ремонте корпуса турбобура, стола ротора и других деталей. К недостаткам способа следует отнести сложность его применения для термически обработанных деталей. Существуют и другие способы восстановления изношенных деталей: давлением; сваркой и наплавкой; металлизацией; полимерными материалами; нанесением электролитического покрытия. Контрольные вопросы Что такое естественный и аварийный износы? Каковы причины появления естественного износа? Чем отличаются друг от друга виды трения? Что такое усталостное разрушение? Каковы причины коррозионного износа деталей оборудования? Какие существуют методы повышения долговечности деталей машин? Перечислите способы восстановления деталей. Какие факторы влияют на их выбор? |