Лекция 1 Предмет надежность машин Цель дисциплины
 Скачать 0.52 Mb.
|
Характеристики и закономерности изнашивания.Изнашивание - процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала. (мм/ч, мм/км, мм/кг). Износ - результат процесса изнашивания (мкм, мм) где: f – функция, характеризующая процесс изнашивания; Т – время. [33] А - приработка Б - период нормальной работы В - период форсированного износа По Казарцеву: А+Б - период естественного изнашивания. В - период аварийного изнашивания. Рис. 10 Классическая кривая процесса изнашивания В период В предельные значения износа, в этот момент времени необходимо провести восстановление детали. Период А: [34] Период Б: (прямая) [35] Период В: [36] Общий износ до ремонта : k1, k2, k3 – коэффициенты пропорциональности. [37] Скорость изнашивания: А: Б: В: 38 39 40 Рис. 11 Действительная кривая скорости изнашивания (ступенчатая) Характеристики механо-физико-химического изнашивания. Износ металлов зависит от большого числа факторов, воздействующих с разной силой и в разных направлениях не только на ход изнашивания, но и на характер и степень влияния каждого фактора. Механо-физико-химическое изнашивание имеет две формы: 1. Характеризуется образованием на поверхности трения твердых растворов кислорода, водорода и азота и тонких прослоек их соединений с металлом. 2. Характеризуется образованием химических соединений металлов с активными элементами химического поля: кислородом, водородом, азотом и др. Фазы процесса: 1. Непосредственный механический контакт трущихся поверхностей или через среду и образование равномерного слоя деформированного активированного металла. 2. Химическая реакция активированного слоя металла с активными элементами (компонентами) среды и как результат образования ослабленных вторичных структур, толщина которых в зависимости от условий их возникновения находится в пределах 0.01...0.02 мкм. 3. Разрушение вторичных структур последующими механическими воздействиями. На обнажившихся в результате разрушения вторичных структур поверхностях металла (практически) мгновенно, в течение нескольких наносекунд, образуется новые вторичные структуры, которые затем также разрушаются. Предельного износа деталь достигнет, если накопит m разрушений пленки вторичных структур. Рис. 12 Схема механо-физико-химического изнашивания Факторы, влияющие на интенсивность изнашивания. 1. Вид трения. 2. Характер трения. 3. Среда работы сопряжения. 4. Площадь контакта. 5. Характер движения. 6. Вид движения. 7. Характер нагрузки. 8. Величина нагрузки. 9. Скорость перемещения трущихся поверхностей. 10. Температура. При обработке деталей на поверхности имеются неровности. Рис. 13 Процесс изнашивания при попадании абразивных частиц Приработка: происходит стирание микро неровностей до оптимального значения. Но микро неровности необходимы: для смазки и являются микро холодильниками для выступов. При тщательной обработке неровности маленькие, но на это требуются большие затраты. Обработка должна быть оптимальной. Выкрашивание: процесс образования ямок на поверхности трения в результате отделения частиц материала при усталостном изнашивании. Царапание: (абразивное изнашивание) - это разрушение поверхностей деталей более твердыми частицами. При царапании износ прямо пропорционален пути трения. Абразив заклинивается в более мягком материале и царапает сопрягаемую деталь. Рис. 15 Абразивное изнашивание (царапание) Усталостное выкрашивание: это результат многократного перенапряжения поверхности деталей в следствии одновременного действия трения качения и скольжения. Первоначально появляется трещина, которая под действием масла расклинивается, замыкается и происходит отрыв металла с поверхности. Этот процесс - результат высоких контактных напряжений. Факторы изнашивания необходимо иметь в определенных границах, для оптимальной величины износа. Рис. 16 Усталостное выкрашивание 2.2 Методы и средства изучения износов. 2.2.1 Микрометраж деталей. Оборудование или узел разбирают и детали замеряют при помощи измерительного инструмента в местах предположительного износа. Фактические размеры записываются в журнал. Подобная операция проделывается многократно. По данным журнала строится кривая износа для каждой детали. Недостатки: неточность при измерении; увеличивается износ при разборке и сборке; происходит приработка; не выдерживается температура и давление мерительных стержней. 2.2.2. Профилографирование. Используют профилографы, которыми определяют изменение состояния поверхности и износа на определенных участках детали. Используется при малом износе. 2.2.3. Взвешивание. Износ определяют периодическим взвешиванием деталей и сравниванием их массы с массой деталей до работы. Недостатки: не дает возможности выявить изношенные участки и характер их износа. 2.2.4. Определение износа по количеству железа в масле. Берут пробы масла периодически и определяют количество железа в нем. Недостаток невозможность конкретно определить, какие детали изнашиваются быстрее. Преимущество не требуется разборки агрегата. 2.2.5. Определение износа радиоактивными изотопами. При изготовлении деталей в сплав вводят радиоактивный изотоп или в изготовленной детали вставляют цилиндрики из радиоактивного металла. Счетчиком радиоактивных частиц определяют их количество в пробах масла. Недостатки: нельзя определить характер износа. Преимущества: быстро и точно определяется износ конкретной детали. 2.2.6. Определение износа при помощи отпечатков и вырезанных лунок. На деталях делают углубление алмазными пирамидами или вырезают лунку алмазными резцами. Периодически измеряют размеры диагоналей отпечатков или длину лунки при помощи микроскопа, и определяют износ детали на данном участке. Преимущества: при частичной разборке узла определяется размер и характер износа деталей. 2.3. Методы повышения износостойкости. 2.3.1. Тщательное и своевременное проведение ТО и ремонтов, соблюдение правил хранения, обкатки новых и отремонтированных машин. 2.3.2. а) Тщательная механическая обработка поверхностей (шлифованием, развертыванием и тонким точением); б) Нанесение на поверхность износостойких покрытий (хромирование, наплавка твердых сплавов и т.д.); в) Упрочнение поверхности цементацией, сплошной и поверхностной закалкой; г) Тщательной приработкой восстановленных деталей. 2.3.3. Уменьшение процессов смятия. Для этого проводя механическую обработку, повышают твердость наплавкой твердыми сплавами, закалкой, цементацией. 2.3.4. При абразивном износе покрывают детали хромом (детали топливной аппаратуры), наплавка твердых сплавов, закалка током высокой частоты (ТВЧ). 2.3.5. Тщательный подбор зазора в сопряжении. 2.3.6. Повышение усталостной прочности 2.4 Другие виды повреждений деталей. 2.4.1 Коррозия – это разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней средой. а) Химическая – возникает при действии на металлы кислот, ядохимикатов, газов и других веществ; б) Электро-химическая – взаимодействие разных металлов и их сплавов во влажной среде. 2.4.2 Электроэрозионное разрушение деталей. Подвержены детали, работающие в условиях искровых разрядов. Электроны, вылетающие с катода, выбивают с поверхности анода частицы металла. 2.4.3. Образование нагара. Детали, подверженные действию сильно нагретых газов и продуктов сгорания топлива и масла, образуются твердые отложения, толщина которых зависит от характера разложения топлива и смазочных материалов при высоких температурах. 2.4.4. Образование накипи. Представляет собой отложение малорастворимых в воде солей и механических примесей, находящихся в воде. Теплопроводность накипи в 50-100 раз ниже металла. Соли: СаСО3, МgCO3, CaSO4, MgSO4, CaSiO3 и т.п. 2.4.5. Пластические деформации. При воздействии на деталь силовых, температурных и других факторов, вызывающих в отдельных участках деталей напряжения, превышающие предел упругости, происходит пластическое деформирование отдельных участков или всей детали. Детали изгибаются, скручиваются, искривляются. 2.4.6. Потеря упругости. При потери упругости детали становятся непригодными, сохраняя форму и размеры. 2.4.7. Потеря намагниченности. Под действием электрических полей, встряски и нагрева детали, приборы и т.д. теряют свои магнитные свойства при сохранении формы и размеров. 2.5. Изнашивание и повреждения деталей машин как случайные процессы. Величина изнашивания деталей и сопряжений являются случайными величинами в силу ряда причин: 1) разнообразие и непостоянство условий эксплуатации; 2) нестабильность качества новых и отремонтированных машин (узлов, агрегатов). Поэтому по каждому сопряжению проводится испытание и собирается статистическая информация. 2.6. Предельные значения износов деталей и сопряжений. Предельный износ (зазор) – такой, при котором наступает предельное состояние детали или сопряжения, и их дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена во избежание аварийной поломки или резкого ухудшения технических или экономических характеристик машины. Тдо – остаточный ресурс Тмр – межремонтный ресурс Тдп – допустимый ресурс Рис. 18 Классическая кривая процесса изнашивания 2.7. Критерии определения предельного состояния деталей. 1.Экономические. Уменьшение производительности, увеличение расхода СМ, уменьшение мощности. 2. Качественные. 3. Технические. Нарушение безотказной работы деталей машин. Критерии предельного износа рекомендуется устанавливать в зависимости от того, какое влияние оказывает износ деталей на работу машин. Рассматривается три случая: 1. В результате износа оборудование не может больше функционировать, т.е. становится не работоспособной. 2. Износ приводит к попаданию в зону интенсивного выхода из строя машины и ее деталей. При этом возникают удары, происходит форсированное изнашивание поверхностей, возникают вибрации, повышается температура узлов. Рис. 19 Критерии предельного износа деталей машин 3. В результате износа характеристики машины выходят за допустимые или рекомендуемые пределы (снижается точность работы, падает производительность и КПД и т.д.). Для определения наработки (ресурса) Т - деталей необходимо иметь кривую износа деталей в зависимости от наработки и значения предельного износа. Ипред Рис. 20 Классическая кривая процесса изнашивания где: – случайная функция, характеризующая скорость изнашивания сопряжения. С другой стороны: [41] [42] т.е. функция, зависящая от нагрузки, скорости скольжения, технологических и эксплутационных факторов. Наравне с предельным износом существует допустимый износ. Допустимый износ (зазор) - такой, при котором остаточный ресурс равен межремонтному. Исходя из определения можно сделать такую схему износа детали. Рис. 21 Классическая кривая процесса изнашивания Тмр=Тос [43] Допустимые износы Идоп меньше предельных Ипред Идоп< Ипред [44] т.к. . деталь не должна выйти из строя в течении последующей межремонтной наработки Тмр. За период межремонтной наработки износ детали увеличивается на: *Тмр [45] Значит Ипред=Идоп+ *Тмр [46] Учитывая, что [47] то [48] Учитывая, что – случайная величина, то на практике пользуются вероятностными показателями Тр, и др. Графически значения предельных и допустимых величин можно представить так: Рис. 22 Графическое обоснование предельного и допустимого зазора (износа) сопряжения Выводы: 1. Угол характеризует скорость изнашивания. Наклон линии износа позволяет характеризовать скорость изнашивания. 2. Размер Sдоп, будет соответствовать значению допустимого зазора сопряжения, при котором детали с износом можно без восстановления оставить на машине, т.к. они отработают ресурс до следующего ремонта. 3. В том случае, когда в сопряжении одна деталь изнашивается намного быстрее другой, то для восстановления начального зазора и допустимого заменяют быстро изнашиваемую деталь при условии безопасной работы старой детали. 2.8 Теоретическое обоснование предельного изменения зазоров в сопряжении. Основываясь на материалах гидродинамической теории трения, уравнения Рейнольдса для расхода жидкости при условии перепада давления, выводах профессора Н.П.Петрова (1883г.) имеем следующее. В момент, когда сопряжение неподвижно, то под действием веса вала, вал опускается на вкладыш и в т.М зазор равен нулю. Но когда вал начнет вращаться, то под действием масленого клина вал приподнимается и между валом и вкладышем образуется масленая прослойка. Это необходимое условие жидкостного трения. При этом, центр вала сместится в сторону направления его движения из т.О в т.О1, образуется эксцентриситет е. Рис. 23 Схема вращения вала Проделав необходимые математические преобразования имеем, что [49] hmin – толщина слоя смазки в [мм] в самом узком месте клиновидной щели; d – диаметр вала, [мм]; k – нагрузка на вал в [кг/м2]; S – зазор (разность диаметров подшипника и вала) [мм]; n – число оборотов вала в минуту; – абсолютная вязкость масла в (кг*сек)/м2 – (поправка для учета длины подшипника) где l – длина подшипника По чертежу, hmin=R – r – e, а разность радиусов дает половину зазора в сопряжении – относительный эксцентриситет [50] е – абсолютный эксцентриситет. Проделав исследование по трению в подшипниках с современной смазкой установили: при =0,5Fтрmin (при <0,5 Fтр увеличивается) Рис. 24 График зависимости силы трения от относительного эксцентриситета Значит, в этом случае будет и наименьший зазор в сопряжении (допустимый), следовательно приравнивая ищем: [51] при этом [52] [53] [54] - наивыгоднейший зазор в сопряжении [55] Очевидно, что чем меньше величина hmin , тем ближе поверхности подходят друг к другу и тем больше опасений, что эти поверхности начнут соприкасаться и изнашивать друг друга. С увеличением вязкости масла , d и n, hmin возрастает. При уменьшении hmin нарушение жидкостного слоя начинается с момента, когда: hmin=n+ b [56] где n – высота неровностей подшипника, мм b – высота неровностей вала, мм. Если n+ b= обозначить в то же время [57] [58] При максимальном зазоре Smaxhmin= Значит [59] Разделив (55) на (56) получим: [60] откуда [61] Таким образом, зависимости Sнаив и Smax позволяют установить для конкретного сопряжения типа «вал-подшипник», значения зазоров, в пределах которых имеет место нормальная работа сопряжения. Для практических расчетов величина берется из условия попадания абразивных частиц и пыли, т.е. если абразив больше (n+b), то берется значение абразивных частиц, находящихся в смазке. Теоретические обоснования предельного изменения формы деталей в сопряжениях “вал – подшипник скольжения”. Предельное состояние определится смещением точки С вниз от первоначального уровня. 0 С У Рис. 25 Схема определения наибольшего изменения формы деталей сопряжения [62] S=2(R-r) – начальный зазор в сопряжении; R – начальный радиус подшипника (до износа); r – начальный радиус вала (до износа); Y – предельно допустимый износ подшипника. – коэффициент показывает во сколько раз вал изнашивается быстрее подшипника. Выводы: 1. При 2,5 условие жидкостного трения нарушается. 2. >2,5 условие жидкостного трения не нарушается т.е. вращающаяся деталь изнашивается в 2,5 раза и более, растущее искажение геометрической формы неподвижной детали не нарушит условия жидкостного трения. Для нового сопряжения: У=0,2Sнач [63] Это означает, что овализация новой детали должна быть менее 0,2 Sнач. Если Sнач составляет 0,05 мм для какого либо сопряжения, то овализация шеек вала после обработки должна быть меньше 0,01 мм. Если такую точность обработки выдержать не удаётся, то не следует делать такой зазор. Поэтому в настоящее время идёт тенденция в сторону увеличения качества обработки, а следовательно уменьшению зазоров, а как следствие из этого, повышается ресурс сопряжения. |