Методы определения износа рабочих поверхностей деталей

Билет №21

1. Износ рабочих поверхностей. Виды и признаки износа.

2. Понятие о термической обработке (определение, цели, виды)

Сущность явления износа

 

Срок службы промышленного оборудования определяется износом его деталей – изменением размеров, формы, массы или состояния их поверхностей вследствие изнашивания, т.е. остаточной деформации от постоянно действующих нагрузок либо из-за разрушения поверхностного слоя при трении.

Сущность изнашивания деталей оборудования зависит от многих причин:

1) условий и режима их работы;

2) материала, из которого они изготовлены;

3) характера смазки трущихся поверхностей;

4) удельного усилия и скорости скольжения;

5) температуры в зоне сопряжения;

6) состояния окружающей среды.

Величина износа характеризуется установленными единицами длины, объема, массы и т.д.

Определяется износ по изменению зазоров между сопрягаемыми поверхностями деталей, появлению течи в уплотнениях, уменьшению точности обработки изделия и т.д. износы бывают нормальными и аварийными.

Нормальным или естественным называют износ, который возникает при правильной, но длительной эксплуатации машины, т.е. в результате использования заданного ресурса её работы.

Аварийным или прогрессирующим называют износ, наступающий в течение короткого времени и достигающий таких размеров, что дальнейшая эксплуатация машины становится невозможной. При определенных значениях изменений, возникающих в результате изнашивания, наступает предельный износ, вызывающий резкое ухудшение эксплуатационных качеств отдельных деталей, механизмов и машины в целом, что вызывает необходимость её ремонта.

Об износе деталей машины можно судить по характеру их работы. В машинах, имеющих коленчатые валы с шатунами (ДВС, компрессоры, насосы и т.д.), появление износа определяют по глухому стуку в местах сопряжения деталей (он тем сильнее, чем больше износ).

Шум в зубчатых передачах – признак износа профиля зубьев. Глухие и резкие толчки ощущаются каждый раз, когда меняется направление вращения или прямолинейного движения в случаях износа деталей шпоночных и шлицевых соединений.

Об износе деталей машин часто судят по появившимся на них царапинах, бороздкам и забоинам, а также по изменению их формы.

Детали машин, работающие со значительными знакопеременными нагрузками, осматривают через увеличительное стекло (лупу), проверяя, нет ли у них мелких трещин, которые могут послужить в дальнейшем причиной поломки.

В некоторых случаях проверку осуществляют с помощью молотка: дребезжащий звук при обстукивании детали молотком свидетельствует о наличии в ней значительных трещин.

О работе сборочных единиц с подшипниками качения можно судить по характеру издаваемого ими шума. Лучше всего выполнять такую проверку специальным прибором – стетоскопом. При его отсутствии пользуются металлическим прутком, который прикладывают закругленным концом к уху, а заостренным – к тому месту, где находится подшипник: при нормальной работе слышен слабый шум – равномерное тонкое жужжание; если работа подшипников нарушена, возникают сильные шумы. Свист или резкий (звенящий) шум указывает на отсутствие в подшипнике смазки либо на защемление шариков или роликов между беговыми дорожками внутреннего и наружного колец. Гремящий шум (частые звонкие стуки) означает, что на шариках, роликах или кольцах появились язвины либо в подшипник попала абразивная пыль или грязь. Глухие удары сигнализируют об ослаблении посадки подшипника на валу и в корпусе.

Работу подшипника можно проверять и по нагреву, определяемому на ощупь наружной стороной кисти руки, которая безболезненно выдерживает температуру до 60^оС. Так, например, определяют повышенный нагрев подшипников, который может быть следствием защемления шариков или роликов между беговыми дорожками в результате отклонения от соосности опор или возникать из-за отсутствия смазки. Перегрев подшипника может появиться при больших частотах вращения вала также в случае избытка смазочного масла или его повышенной вязкости, создающей дополнительное сопротивление вращению вала. Значительный нагрев вызывает ускоренный износ подшипников.

Тугое проворачивание вала свидетельствует об отсутствии соосности между ним и подшипником или о чрезмерно тугой посадке подшипника на валу или в корпусе. Дребезжащий стук в цилиндре компрессора сигнализирует о поломке или повышенном износе поршневых колец, а глухой – об износе поршня и цилиндра. Стук маховика может быть следствием нарушения его посадки на валу. Недостаточное давление в пневмосистеме является результатом утечки сжатого воздуха из соединений трубопроводов, пробуксовка приводных ремней, износа цилиндра, поршня и других деталей компрессора.

Методы определения износа рабочих поверхностей деталей

Величину износа рабочих поверхностей деталей оценивают по: измерению зазоров и температур; измене­нию массы (весовой метод); изменению линейных размеров; накоплению продуктов изнашивания в масле; изменению размеров отпечатков на поверхности трения (метод лунок); изменению эксплуатационных свойств (в канатах - по увеличению числа обрывов проволок, в подшипниках качения - по шуму и нарушению под­вижности); по местному износу (по размерам лысок на проволоках каната, плоскости качения колеса вагонетки); по уменьшению радиоактивности радиоактивной вставки в деталь и др.

При визуальном методе дефекты определяются в результате внешнего осмотра машины невооруженным глазом.

При возможности покачивания сопряженных деталей износ в сопряжении определяют визуально по величине хода деталей при покачивании, т.е. по величине люфта.

Для определения величины износа наиболее распространенным является замер геометрических размеров рабочих поверхностей детали с использованием мерительного инструмента.

Для измерения зазоров в сопряжениях горных машин могут быть использованы щупы, свинцовые пластины, мягкая проволока, индикаторы. Так величину износа зубчатого зацепления определяют по толщине свинцовой пластины прокатанной через зацепление. В под­вижных соединениях нормальные зазоры находятся в пределах от 0,01 до 0,5 мм.

С помощью термопар и термометров можно конт­ролировать температуру деталей и по ним определять износ.

Величину износа определяют по измене­нию массы образцов (весовой метод), который пригодный для деталей малой массы.

Метод определения железа в масле заключается в том, что периодически из находящегося во взвешенном состоянии масла отбираются пробы и химическим путем определяется в нем про­центное, содержание металла. По виду металла в масле определяют деталь сопряжения, подверженную износу, а по количеству металла в масле - вероятную степень износа.

С помощью радиоактивных изотопов можно с высокой точ­ностью определять износ деталей. Для этого используют электро­литическое нанесение радиоактивного металла на трущиеся по­верхности, введение радиоактивных изотопов в металл при плавке, установку радиоактивных вставок (например в стенку пульпопровода), активирование детали облуче­нием и метод диффузии. Износ может быть определен по наличию в пульпе радиактивных изотопов (для трубопроводов) или накопле­нию радиоактивных продуктов износа в масле или на фильтре, найденных с помощью приборов.

Акустический метод может быть использован для контроля за состоянием машины без разборки. Для этих целей широко при­меняются простые или электронные стетоскопы. С их помощью по изменению шума, стука устанавливают различные неисправности.

При исследовании типовых узлов трения ГМиО широко исполь­зуют микрометрические методы определения линейных размеров, так как обычно детали доступны для измерений при ремонтах, а их износ доста­точно велик, что позволяет избежать больших погрешностей.

^ 3.2.4. Предельно допустимый износ деталей и методы расчета на износ

Состояние детали при эксплуатации, т.е. пригодность к дальнейшей работе или к восстановлению их определяют по величине предельного износа /2-4, 7, 8, 21, 25/.

Предельный износ – максимальная величина износа, при достижении которой дальнейшая эксплуатация изделия считается недопустимой по техническим или экономическим показателям работы.

При расчете и нормировании ресурсов узлов трения исходят из величины предельно допустимого износа. Подход к её определению в каждом конкретном случае различен. Даже для одних и тех же деталей и узлов трения, но работающих в разных условиях, допустимые значения износа могут существенно раз­личаться.

Критерии нормирования предельно допустимого износа и расчетные зависимости для его определения исключительно разно­образны. В одних случаях они связаны с нарушением прочности деталей (например, канатов, цепей), в других – с уменьшением компрессии (например, деталей порш­невой группы двигателей внутреннего сгорания), в третьих - с нарушением нормального взаимодействия деталей (например, нарушением зацепления, потерей подвижности в шарнирах и др.), в четвертых - с полной потерей работоспособности (например, тормозных пар, сквозного износа материала желобов, конвейеров) и др.

В работах И.В.Карагельского, И.И.Ивашкова и др./7/ приведено, что методы расчета на износ по сложности и точности ре­зультатов пока уступают инженерным методам расчета на проч­ность. Это обусловлено тем, что к их созданию приступили не­давно, а сами процессы трения и изнашивания более сложны по сравнению с процессами объемного разрушения материала при однократном и даже циклическом его нагружении.

И.В.Карагельским и др. изданы работы /7/ по созданию численных методов расчета на износ. Полученные расчетные зависимости основаны на ряде допущений и требуют знания многих характеристик. Как указывают их авторы, воз­можное расхождение расчетных и опытных данных может быть 10-кратным. Учитывая, что характеристики изнашивания в зави­симости от конкретных условий могут отличаться на несколько порядков (например, в сопряжениях цепей они изменяются в пределах восьми порядков, см. рис. 38), такую точность можно считать допустимой для решения ряда задач. Однако прямые расчеты ресурсов деталей с 10-кратной погрешностью могут иметь ограниченное применение, так как далеко не безразлично, будет ли расчетный ресурс равен 100 или 1000 ч. Поэтому наряду с прямыми методами расчета на износ применяют упрощенные методы, основанные на использовании опытных данных по кон­кретным узлам трения.

Наибольшее распространение имеют расчеты, основанные на использовании опытных данных по конкретным узлам трения, основанные на зависимостях, подобных, например, зависимостям (59) и (60). Их недостатком является то, что коэффициенты А, В, х не раскрывают влияния параметров процесса трения и изнашивания на характеристики износа, и их значения являются грубым обобщением влияния на износ какой-то конкретной совокупности этих параметров. Поэтому точность таких расчетов также не­высока. Более точные результаты дают расчеты по предложенному И.И.Ивашковым методу аналогий, согласно которому срок службы (ч) рассчитываемой детали определяется как

Т_р = Т_а^. К_а/К_р , (3.7)

где Т_а - срок службы детали-аналога, известный из опыта ее эксплуатации в машинах данного вида; К_а- коэффициент, учитывающий влияние конструктивных, технологических и экс­плуатационных факторов на износостойкость детали-аналога

К_а = К₁К₂К₃…К_n, (3.8)

К_р - то же, для рассчитываемой детали

К_р = . (3.9)

Коэффициенты К₁К₂К₃…К_n и , входящие в выражения (65) и (66), характеризуют влияние на износ наиболее существенных факторов, например, пути трения, нагрузки, ско­рости скольжения, вида термической и химико-термической обра­ботки деталей, твердости их сопрягаемых поверхностей, смазыва­ния, абразивного воздействия и др. При этом для каждого вида изнашиваемых сопряжений можно выделить собственный набор указанных коэффициентов и определить их значения на основе имеющихся опытных данных с последующим уточнением по мере необходимости. Например, в работе Р.Л.Зенкова, И.И.Ивашкова, Л.И.Колобова /7/ для тяговых цепей конвейеров и эска­латоров этот набор включает семь коэффициентов. Нумера­ция указанных коэффициентов сугубо условная, Важно лишь не ошибиться в том, что каждый из них прямо пропорционален износу и обратно пропорционален износостойкости, обусловлен­ной данным фактором. Так, с увеличением пути скольжения, нагрузки, интенсивности абразивного воздействия указанные коэффициенты растут, а с повышением твердости, совершенство­ванием методов смазывания, защиты от абразива, наоборот, уменьшаются.

К настоящему времени накоплены обширные данные о вли­янии на износ основных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, что позволяет решать широкий круг практических задач на основе излагаемого метода.

1. 
   ^ Разрушения или поломки деталей

 

Разрушение (поломка) детали – всякий протекающий в материале или на его поверхности процесс, приводящий к отклонению свойств детали от технических условий, т.е. деталь не может выполнять заданные функции.

Разрушенным можно назвать изделие, которое утратило в результате более или менее длительного использования свои служебные характеристики. Разрушение детали проявляется в виде излома.

Излом - полное разрушение материала детали в результате растяжения, сжатия, изгиба, кручения или сложного/напряженно­го состояния. В зависимости от характера приложения нагрузки разделяют изломы при однократном нагружении и усталостные из­ломы. Возникают изломы при чрезмерном увеличении напряжений в материале детали, которые превосходят предел текучести или предел прочности. Разрушение деталей горных машин происходит при их взаимодействии с твердыми, жидкими и газообразными телами.

Наиболее характерными видами разрушений деталей машин являются: вязкое или пластичное разрушение; хрупкое разрушение; усталостное разрушение и разрушение с признаками пластичного, хрупкого и усталостного разрушения.

^ Вязкое или пластичное разрушение детали происходит в результате приложения к детали нагрузок, превышающих предел текучести материала.

При вязком разрушении деталь может быть не поломана, но иметь измененную геометрическую форму (может быть скрученной, изогнутой, выгнутой и т.д.) с заметными следами сдвига материала, т.е. деформированной.

Деформация – результат действия внутренних напряжений в объеме детали, приводящих к изменению размеров и (или) формы детали, и (или) взаимного расположения поверхностей.

Развитие вязкого разрушения происходит сравнительно с малой скоростью, но при напряжениях, превышающих расчетный предел текучести материала.

Наличие пластической деформации при вязком разрушении придает вязкому излому волокнистое строение.

Хрупкое разрушение детали происходит в результате приложения к детали нагрузок, превышающих расчетный предел прочности материала детали.

Хрупкий излом проходит, как правило, через зону расположения на детали концентратора напряжений (риски, задиры, галтели и т.д.)

Для хрупкого излома характерна неровная поверхность с крупно или мелкозернистым строением структуры материала, а также наличием скосов на изломе. Наличие скоса или скос больших размеров на хрупком изломе указывает место долома детали, т.е. окончание разрушения. И, наоборот, участок с малым скосом (а чаще всего без него) обычно примыкает к фокусу излома. Фокус излома – это зона, с которой начинается разрушение. Фокус излома располагается, как правило, у какого-либо концентратора напряжений или дефекта.

Дефект (по ГОСТ 15467 – 79) – это каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией. Дефекты бывают явные, скрытые, малозначительные, значительные и критические.

В ряде случаев о характере разрушения – хрупкое или вязкое – судят по степени пластической деформации детали, предшествующей разрушению детали. Если степень пластической деформации больше 5%, то разрушение вязкое, если меньше – то хрупкое. Обычно хрупкие изломы встречаются в результате действия высоких нагрузок при аварийных перегрузках.

Усталостное разрушение детали наступает при приложении к ней знакопеременных нагрузок, изменяющихся по величине и по времени.

На усталостном изломе можно выделить две зоны: а) зону зарождения (очаг разрушения) и развития микротрещины; б) зону окончательного разрушения (долома детали).

Первая зона развивается, как правило, от очага (концентратора напряжений, дефекта) разрушения и представлена неровной, гладкой или блестящей стенкой микротрещины. Последнее объясняется тем, что стенки микротрещины трутся микровыступами и происходит сглаживание их. Чем медленнее идет развитие трещины, тем более гладкой, как бы полированной, получается стенка микротрещины. Если трещина развивалась относительно быстро, при малом числе циклов, то поверхность излома по такой трещине мене гладкая, матовая и зернистая.

Вторая зона, зона долома детали, имеет характерные признаки как хрупкого, так и вязкого разрушения. Так, зона долома может иметь либо кристаллическую поверхность, показывающую, что окончательное разрушение носило хрупкий характер, либо волнистую, указывающую на то, что окончательное разрушение было вязким.

Таким образом, на усталостном изломе можно установить очаг разрушения, зону развития микротрещины и зону долома.

В горных машинах чаще всего проявляется совместное действие различных видов износа с последующим разрушением.

1. 
   ^ Анализ изломов при разрушении деталей

 

Если плоскость излома разрушенной (поломанной) детали не покрыта слоем смазки и грязи, то лучше его рассматривать, не промывая бензином, ацетоном и не отделяя от поверхности излома игольчатых и других обломков.

Осматривая разрушенную деталь необходимо установить, есть ли на поверхности или в теле материала детали концентраторы напряжений или дефекты (отсутствие галтелей; наличие отверстий; риски на поверхности детали от: токарной, фрезерной, шлифовальной и других видов механической обработки; ожоги от шлифования, посторонние включения или пустоты в теле детали, полученные при литье заготовки и т.д.) и как они повлияли на расположение поверхности излома.

При этом характер разрушения можно оценить по расположению поверхности излома относительно действующих сил и внешних контуров детали. Так, например, если поверхность излома вала располагается под углом 45º к оси, то разрушение произошло от циклических нагрузок при кручении. Если излом произошел под углом, близким к 90º, то разрушение возникло от кручения при значительных перегрузах, а также от повторных изгибающих нагрузок.

При наличии резкого концентратора напряжений излом зарождается по поверхности, перпендикулярной к оси вала.

Далее по внешнему виду поломки детали устанавливается характер излома: вязкий, хрупкий, усталостный или комплексный.

Если анализ разрушенной детали не позволяет механику сделать однозначный вывод о возможной причине поломки или, если завод-изготовитель не согласен с заключением предприятия о причине поломки, деталь (или ее поврежденная часть) направляются на исследование в лабораторию завода-изготовителя, ремонтно-механического завода или в другую организацию.

Анализ характера изломов необходим для указания в акте аварийной остановки машины причины поломки; для дальнейшего усовершенствования конструкции.

С целью предотвращения аварийных поломок деталей от скрытых дефектов в материале необходимо выполнять дефектоскопию деталей с разборкой и без разборки машины с использованием технических средств неразрушающего контроля.

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: