книги / Ремонт подъемных кранов
..pdfго давления в сопряжении, свойств материала детали и частоты циклов нагрузки. При чистом качении наблюда ется контактная усталость, которая проявляется в образо вании местных очагов разрушения в виде осповидных уг лублений (питтинг). При трении скольжения образуется износ, связанный с усталостной природой разрушения (п. 1.5). В таких сопряжениях, как зубчатые передачи, опо ры качения, кулачок — ролик, могут иметь место оба вида разрушения, так как в этих парах наблюдаются и качение и скольжение.
Молекулярно-механическое изнашивание подразделяют на адгезионное и избирательный перенос.
Адгезионное изнашивание происходит в связи с возникно вением на отдельных участках контактирующих поверхнос тей молекулярных (адгезионных) взаимодействий, силы ко торых превосходят прочность связей поверхностного слоя материала с основным материалом детали. Проявление атом но-молекулярных связей зависит от свойств материалов кон тактирующих поверхностей. К адгезионному изнашиванию склонны пары с металлическими поверхностями. Адгезион ное изнашивание выражается в глубинном выравнивании материала и переносе его с одной поверхности на другую, что приводит, как правило, к заеданию деталей. Износ при заедании может возникнуть в зубчатой паре или в опорах качения при высоких контактных нагрузках и отсутствии смазки.
Изнашивание в условиях избирательного переноса также характеризуется атомарными явлениями в зоне контакта и наблюдается, например, при трении металлополимерных пар, когда полимер переносится на поверхность металла, образуя на ней мономолекулярный слой. Образование в данном слу чае прослойки благоприятно сказывается на фрикционных характеристиках пары и приводит к резкому уменьшению интенсивности изнашивания.
Коррозионн°-механическое изнашивание подразделяют на окислительное и изнашивание при фреттинг-коррозии.
Окислительное изнашивание возникает при наличии на поверхностях трения защитных плёнок, образовавшихся в результате взаимодействия материала детали с кислородом. Согласно исследованиям Б.И. Костецкого, существуют три формы окислительного износа: первая образуется в резуль тате удаления с поверхности трения ультрамикроскопических химически адсорбированных плёнок; вторая — при уда лении микроплёнок твёрдых растворов и эвтектик химиче ских соединений кислорода и металла; третья — в результа те периодического образования и отслаивания крупных сло ёв химических соединений кислорода и металла. Окислитель ное изнашивание — это установившийся стационарный про цесс динамического равновесия разрушения и восстановле ния оксидных плёнок.
Следует отметить, что возникновение оксидных плёнок не исключает, а ускоряет усталостное разрушение материала, так как в результате взаимодействия кислорода и металла образуются слои с повышенной хрупкостью, ускоряющей раз рушение материала. Окислительному изнашиванию подвер жены шейки коленчатых и распределительных валов, порш невые пальцы и втулки опор скольжения. Скорость окисли тельного изнашивания составляет от 0,05 до 0,1 мкм/ч.
Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит в про цессе малых относительных колебательных перемещений контактирующих металлических поверхностей в результате периодических деформаций или вибраций элементов конст рукции. При фреттинг-коррозии наблюдаются схватывание, абразивное изнашивание и усталостно-коррозионные явле ния. Этот вид изнашивания характерен для поверхностей деталей в неподвижных соединениях, воспринимающих виб рационные нагрузки (например, наружные поверхности на ружных и внутренних колец подшипников качения, поверх ности отверстий в корпусах подшипников, в заклёпочных соединениях, работающих при вибрационной нагрузке, и др.). Фреттинг-коррозня может возникать при сухом трении и в условиях смазки.
1.3 Основные характеристики и закономерности изнашивания деталей машин. Предельные износы
Для характеристики изнашивания используют следующие показатели: линейный износ, скорость изнашивания, интен сивность изнашивания, износостойкость, относительная из носостойкость.
Линейный износ U — это изменение размера детали (об разца) в результате изнашивания в направлении, перпенди кулярном поверхности трения.
Скорость изнашивания у = dU/dt — отношение износа к времени изнашивания. По скорости изнашивания можно судить о долговечности детали.
Интенсивность изнашивания j = dU/ds — отношение из носа к пути трения, на котором происходило изнашивание, или к объёму выполненной работы, например к наработке машины в кубических метрах вынутого грунта.
Износостойкость — свойство материала оказывать сопро тивление изнашиванию при определённых условиях трения. Износостойкость оценивается величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания.
Относительная износостойкость — отношение износостой кости данного материала и материала, принятого за эталон, при их изнашивании в одинаковых условиях.
Основные факторы процесса изнашивания и их влияние на износ деталей. Среди факторов, влияющих на процесс из нашивания деталей* основными являются:
— Нбне^рум'гйвйздё еьйрлмеййщ т.ё; род ¥ренйй (ёкбльЗКёййё, качение йлй сложное Фрёйяе), рас чётные нагрузки, скорость бтйоёйтёльйЬгё йёремещения, характер движения (равномерное или неравномер ное), расчётные зазоры, качество обработки сопрягае мых поверхностей, износостойкость материалов;
— эксплуатационные характеристики, т.е. соответствие расчётных нагрузок действующим, окружающая среда
13
(повышенная влажность, запылённость, повышенная или чрезмерно низкая температура окружающей сре ды), качество смазки.
Зависимость скорости изнашивания от удельного давле ния и скорости относительного движения выражается фор
мулой |
|
у —kpmo n, |
(1.1) |
где k — коэффициент, характеризующий влияние материа ла детали и качества поверхности; р — удельное давление; и — скорость относительного движения; т и п — постоян ные, характеризующие вид смазки, качество смазочных ма териалов.
Для случая абразивного изнашивания, по данным М.М. Хрущёва, скорость изнашивания прямо пропорциональ
на р и и , т.е. т = п = 1: |
|
y = kpu. |
(1.2) |
Одной из важнейших характеристик металлов и сплавов, влияющих на скорость почти всех видов изнашивания, яв ляется твёрдость: с возрастанием твёрдости износостойкость материала повышается. На рисунке 1.1 показана зависимость износа углеродистой стали от твёрдости при трении сколь жения: U — износ, г; НВ — твёрдость стали по Бринеллю.
Из рисунка видно, что между твёр и,г достью и величиной износа, следова тельно, и износостойкостью материа лов прямой зависимости не имеется.
Структура металла детали зна чительно влияет на её износостой кость. Установлено, что с повышени ем содержания углерода износостой кость стали возрастает. Легирование сталей марганцем, хромом, никелем, вольфрамом и другими элементами повышает ее износостойкость. Изно-
состойкость чугунов в значительной мере зависит от состоя-
ния в них углерода. Если углерод находится в чугуне в виде цементита Fe3C, т.е. в связанном состоянии, то такой чугун более устойчив к износу, чем ферритный, в котором углерод находится в свободном состоянии в виде графита. Применяя термическую и химико-термическую обработку чугунов (азо тирование), повышают их износостойкость в 2-4 раза.
Окружающая среда оказывает значительное влияние на износостойкость деталей строительных машин, работающих в самых разнообразных условиях (запыленная атмосфера, повышенная влажность, сырой грунт, колебания внешней температуры и др.). Наблюдения показали, что в условиях запылённого воздуха (15 •10 5 кг/м3) интенсивность изнаши вания дизельного двигателя примерно в 3,5 раза выше, чем при работе в нормальных условиях.
Смазка трущихся поверхностей. Правильный выбор сма зочных материалов и непрерывная подача их в зону трения являются решающими для нормальной работы соединения.
Закономерность изнашивания деталей во времени. Изна шивание деталей во времени обычно протекает неравномер но. На рисунке 1.2 показана кривая нарастания износа U у большинства подвижных соединений в зависимости от вре мени работы сопряжения. Период времени I соответствует интенсивному изнашиванию. В этот период происходит про цесс приработки деталей. В периоде времени И, называемом периодом нормального изнашивания, износ прямо пропор ционален времени работы. В периоде времени III наступает форсированное изнашивание. По классификации В.И. Казарцева периоды времени I+II названы периодом естествен ного изнашивания, а период времени III — периодом ава рийного изнашивания. Более интенсивный износ в период приработки обусловлен тем, что до начала эксплуатации со единения фактическая площадь контакта между сопрягае мыми поверхностями не превышает 5-15 % номинальной пло щади из-за микрошероховатостей и волнистости этих повер хностей. В процессе приработки площадь фактического кон такта сопрягаемых деталей постепенно увеличивается и со
ответственно уменьшается удельное давление, что приводит к постепенному снижению скорости изнашивания. В период приработки износ во времени выражается степенной парабо лой. Окончание периода приработки характеризуется стаби лизацией скорости изнашивания.
Для установившегося износа (период II) |
|
U = yt, |
(1.3) |
где у — скорость изнашивания (у = dU/dt). |
|
Для износа с учётом периода приработки |
|
U = U „+ yt, |
(1.4) |
где Ua — износ за период приработки.
Возрастание скорости изнашивания в период аварийного изнашивания связано с нарушением жидкостного трения и появлением вибраций из-за больших зазоров в соединении, повышением температуры в зоне трения и ухудшением каче ства сопрягаемых поверхностей. В машинах аварийное изна шивание не допускается.
На рисунке 1.3 показано изменение скорости изнашивания у в соответствии с зависимостью U = f(t), представленной на рисунке 1.2: в периоде I скорость изнашивания снижается, в периоде II — у = const, а в периоде III — возрастает.
Предельные и допустимые износы. Износ детали называ ют предельным, если дальнейшее её использование в машине становится недопустимым из-за нарушения нормальной ра боты узла или машины в целом и возможности внезапного
Рис. 1.2 Кривая нарастания |
Рис. 1.3 Изменение скорости |
износа U в зависимости от |
изнашивания у в зависимости от |
времени работы сопряжения |
времени работы сопряжения |
появления отказа в работе (аварии). Основные признаки по явления предельных износов: повышение интенсивности из нашивания деталей (отрезок III на рисунке 1.2), снижение прочности и надёжности деталей вследствие изменения их размеров; ухудшение служебных свойств узла, в который входит деталь (появление вибраций, снижение мощности, увеличение расхода топлива и др.). Износ является одним из критериев предельного состояния изделия. Предельным на зывается состояние изделия (узла, детали или её элемента), когда эксплуатация изделия должна быть прекращена, так как возникает необходимость в ремонте или техническом обслуживании. Критериями предельного состояния могут быть износ, коррозия, тепловые деформации, потеря проч ности и жёсткости, механические повреждения.
Износ детали называют допустимым, если она может быть установлена в машину без ремонта и будет удовлетворитель но работать в течение предстоящего межремонтного перио да. Допустимый износ U можно определить из соотношения
и а < и ар-уГим, |
(1.5) |
где Uap — предельный износ; Тип — межремонтный период. Определение предельных износов является задачей техни чески сложной. В большинстве случаев их устанавливают опытным путём в результате длительных наблюдений за эк сплуатацией данной машины, используя при этом методы
математической статистики.
В технических условиях на дефектацию деталей при ре монте машин указывают предельные и допустимые износы быстроизнашивающихся деталей.
Величина предельного износа детали может быть определе на при изучении процесса протекания износа во времени. Ис следованиями установлено, что зависимость износа деталей от времени их работы имеет вид, показанный на рисунке 1.4.
Величина износа детали, соответствующая точке В на кри вой, определяет предельный износ Ипр, а промежуток време ни *пр — срок службы детали до предельного износа.
И,мм
Рис. 1.4 Зависимость износа деталей от времени их работы: tj — период приработки детали (повышенная интенсивность изнашивания); t2— период нормального изнашивания;
t3— период форсированного изнашивания
Таким образом, величина предельного износа детали мо жет быть определена по моменту наступления форсирован ного изнашивания. Значение этой величины определяют так же по таким показателям, как снижение прочности детали, нарушение установленной посадки в сопряжении, падение мощности и т.п.
Предельный износ деталей может быть установлен и по экономическим показателям: снижению производительнос ти, повышению расхода эксплуатационных материалов, воз растанию расходов на техническое обслуживание и др.
Наиболее объективным показа телем, свидетельствующим о том, что механизмы изделия, а следо вательно, и их детали достигли пре дельного состояния, является воз растание приведённых затрат на единицу выполненной работы. Из вестно, что привёденвые амортиза ционные расходы и расходы, свя занные с капитальным ремонтом изделия и его агрегатов с увеличе нием сроков их службы уменьша ются (рис. 1.5, а), а приведённые
расходы на техническое обслуживание, текущий ремонт и эксплуатацию увеличиваются (рис. 1.5, б).
Суммарные приведённые затраты (рис. 1.5, в) будут иметь минимум при определённой наработке изделия. Дальнейшее увеличение срока службы изделия приводит к повышению приведённых затрат, что с экономической точки зрения не эффективно, поэтому изделие, его агрегаты и детали счита ются достигшими предельного состояния и должны быть на правлены в ремонт.
Вопрос об определении допустимого износа деталей при капитальном ремонте изделия сводится к отысканию такой его величины, которая обеспечивает безотказную работу из делия в течение очередного межремонтного срока службы. Методика определения допустимого износа деталей была раз работана проф. В.В. Ефремовым.
Не допуская большой погрешности, можно принять, что зависимость износа детали от времени работы имеет линей ный характер (рис. 1.6). пусть величина предельного износа известна и равна ВС = И^.
Отложив от точки С, опреде ляющей срок службы дета ли до предельного износа, от резок СД, равный межремон тному сроку службы изделия fM, и восстановив перпенди куляр из точки Д до пересе чения с прямой ОВ, получим отрезок ДЕ, величина кото рого определяет Ндоп.
Из рисунка 1.6 видно, что величина допустимого износа
Идоп = Ипр- ИМ9,
где Ик — величина износа детали за межремонтный срок службы изделий (её определяют как среднюю величину пу тём замера партии деталей, снятых с изделий, поступивших во второй капитальный ремонт).
Изменение начальных посадок в сопряжении. При эксп луатации машин характер сопряжения деталей подвергает ся изменениям: в подвижных соединениях в результате из
нашивания сопрягаемых деталей возрастают зазоры, а в не подвижных — постепенно уменьшаются натяги. После неко торого периода эксплуатации износ деталей в сопряжении достигает предельного значения, при котором дальнейшая работа узла становится технически ненадёжной или эконо мически нецелесообразной.
На рисунке 1.7 показана схема изменения зазора в зависи мости от продолжительности работы сопряжения: 1 и 2 — кри вые износа соответственно охватывающей и охватываемой де талей; SB— начальный зазор в сопряжении (назначается кон структором); Sn— зазор после периода приработки; Snp — пре дельный зазор; SA— допустимый зазор, т.е. зазор, при котором данное сопряжение может находиться в эксплуатации в тече ние предстоящего межремонтного периода. Из рисунка видно, что увеличение срока службы сопряжения может быть достиг нуто, во-первых, уменьшением начального зазора Saи, во-вто рых, уменьшением скорости изнашивания в периоды I и II, т.е. путём повышения износостойкости сопрягаемых деталей.
Аналитический метод определения предельного зазора для сопряжения вал-подшипник скольжения, разработанный В.И. Казарцевым, заключается в следующем. При нормаль ных условиях работы сопряжения вал-подшипник скольже-
Рис. 1.7 Схема изменения зазора |
|
в зависимости от |
|
продолжительности работы |
Рис. 1.8 Определение |
сопряжения |
предельного зазора |