Изучение видов повреждений деталей машин и этапы исследования износа деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изучение видов повреждений деталей машин и этапы исследования износа деталей

Мухаммадиев Б.С. Джизакский Политехнический институт

Аннотация

В статье представлен анализ об изнашивании твёрдых тел при фрикционном контакте, а также особенности и характерные признаки проявления различных механизмов и видов изнашивания в зоне трения поверхностей твёрдых тел.

Ключевые слова: коррозия, агрессивные вещества, повреждения, выкрашивание, усталость, износ, дефект.

Для управления надежностью машин необходимы разнообразные сведения, в том числе оценки показателей надежности, характеристики загруженности и напряженности элементов конструкции, данные об условиях взаимодействия сопряженных деталей и др. Получение наиболее полной информации - одна из основных задач конструкторов, испытателей и специалистов по надежности. Источниками ее являются расчеты, испытания и наблюдения, причем относительное значение каждого из них меняется на различных стадиях создания машин.

При испытании новых машин и механизмов, а также в дальнейшем эксплуатации выявляются совокупность факторов, определяющих механизм и интенсивность процессов разрушения: нагрузки; скорости; среды в нагруженном контакте (количество, свойства и температура смазки, дисперсность, форма и другие свойства абразивных частиц); окружающая среда (температура, давление, влажность, агрессивность).

В промышленности, в том числе строительной, машиностроительной и т.д. для измерения и преобразования различных механических перемещений, а также для дистанционной передачи информации об этих перемещениях широко используются трансформаторные и дифференциально трансформаторные преобразователи угловых и линейных механических перемещений [3].

Предельные состояние и отказы элементов машин в эксплуатации в большинстве случаев возникают в результате:

- износа, приводящего к нарушению формы деталей, их правильного взаимного положения, к образованию недопустимых по величине зазоров, иногда к снижению прочности;

- усталости, приводящей к выкрашиванию рабочих поверхностей или появлению глубоких трещин и поломке детали после некоторого числа циклов нагружения;

- недостаточной статической прочности, вызывающей поломки при перегрузках;

- аварийных дефектов, вызывающие внезапные аварийные отказы работы работы машин и механизмов;

- деформаций под действием внутренних напряжений, внешних нагрузок и колебаний температуры;

- коррозии под действием агрессивных веществ;

- старения под влиянием времени и внешних воздействий;

- совместного действия нескольких разнородных разрушающих факторов (например, сочетания износа с усталостью или коррозией).

Перечисленные причины не исчерпывают всех возможных случаев. Например, предельные состояние некоторых деталей может быть вызвано прогаром (прокладки головок цилиндров, клапаны, глушители и др.), прокладки обычных стыков приходят в негодность вследствие чрезмерного уплотнения, в результате процесса изнашивания и связанные с ним изменения геометрических параметров контактирующих при трении поверхностей, происходит износ деталей и т.п.

В процессе эксплуатации сложных и дорогостоящих агрегатов возникают внезапные отказы, причиной которых являются детали с аварийными дефектами, требующие замены или восстановления.

Вероятность аварийных отказов в сравнении с эксплуатационными (см. рисунок 1) обычно, не велика т.е. 3-5%. Но затраты на восстановление работоспособности отказавших агрегатов в связи с заменой аварийных деталей на новые запасные части, могут оказаться очень значительны даже при небольшой вероятности их появления. В значимой мере это присуще базовым деталям двигателя, таким как блок цилиндров, головки блока цилиндров и коленчатый вал, имеющим сложную конструкци, значительные размеры, массу и отличающимся высоокой стоимостью. Для зарубежной техники в сравнении с отечественной эти затраты могут возрасти до 10 и более раз.

Базовые детали агрегатов, являясь несущими элементами, предназначены координировать точность взаимного расположения соединяемых деталей и механизмов в статике и обеспечивать правильное их взаимодействие в динамике.

Рис. 1

Повреждения, возникающие при испытаниях и в период эксплуатации, требуют пристального внимания конструкторов и испытателей, так как необходимо: выявить зависимости видов повреждений и сроков их возникновения от условий работы изделий; выбрать метод и режим испытаний, обеспечивающее появление таких же повреждений изделий, как при эксплуатации машин и механизмов.

Несмотря на разнообразие встречающихся причин отказов и предельных состояний, всегда можно выявить один или несколько типичных для данной конструкции (преобладающих) видов повреждений, закономерно возникающих в большинстве изделий при данном качестве их изготовления. Типичный вид повреждения является :

а) критерием правильности выбора метода и режима испытаний;

б) основой анализа причин повреждения.

Фундаментальное значение в теории и практике ресурсных испытаний имеет первое положение, так как если возникшие повреждения отличаются от эксплуатационных, то по всей вероятности методика или режим испытаний требует корректировки.

Анализ причин повреждений позволяет понять характер процессов разрушения, раскрыть природу отказов и исключить или отдалить их появление. Поэтому путь к повышению ресурса и безотказности деталей машин начинается с изучения видов их повреждений.

Повреждения серийно выпускаемых машин и механизмов изучают в процессе эксплуатационных испытаний и наблюдений. При стендовых или полигонных испытаниях новых машин и механизмов анализируют виды и последовательность повреждений, возникающих под влиянием разрушающих факторов, приблизительно эквивалентных эксплуатационным воздействием.

Кроме того, часто встречаются две специфические задачи:

1. Требуется оценить сопротивляемость конструкции повреждения определенного вида или сравнить наработки различных вариантов конструкции до отказов этого вида (например, проверить стойкость головок блока против образования трещин термической усталости при циклических нагревах и резких охлаждениях);

2. Выяснение причин, по которым у части деталей машин возникают повреждения изучаемого вида (например, исследование источника поломок коленчатого вала, причины которых в эксплуатации остаются невыясненными).

Варьируя при стендовых испытаниях условия работы вала (соосность подшипников, степень уравновешенности колебательной системы и др.), а также при необходимости механические характеристики испытываемых деталей, находят сочетания факторов, вызывающие поломки.

Значение изучаемого вида повреждения для разработки методики испытаний очевидно. Например, преобладающими видами повреждений поверхностей качения шариковых и роликовых подшипников в узлах автомобилей и тракторов являются износ, выкрашивание (питтинг) и образование вмятин (бринеллирование); для воспроизведения каждого из этих трех видов повреждения требуется специфический метод. Таким образом, вид повреждения во многом предопределяет выбор метода испытаний и требует тщательного изучения.

При выборе режима и метода испытаний вновь спроектированного узла следует руководствоваться экспериментальными данными о видах разрушения деталей и узлов существующих аналогичного назначения. По мере накопления результатов испытаний опытных образцов и эксплуатации первых серий изделий может понадобиться корректирование принятого метода или введение дополнительных видов испытаний в соответствии с принципом их дифференциации для воспроизведения различных видов повреждения.

Необходимость воспроизведения заданного вида повреждений налагает существенные ограничения на выбор режима испытаний, в частности, в тех случаях, когда повреждение возникает в результате совместного действия нескольких факторов. Например, при наличии загрязнений в смазке подшипник качения обычно требует замены вследствие абразивного износа и образования недопустимого по величине зазора задолго до появления признаков выкрашивания, т.е. износ опережает усталость. При чистой смазке выкрашивание поверхностей качения, как правило, опережает их износ. В промежуточных случаях влияние износа и усталости сочетается, и тогда даже незначительные отклонения от рационального режима испытаний приводят к изменению вида повреждения.

Усовершенствование деталей и узлов часто влечет за собой изменение вида повреждений. Вид, который был типичным и преобладающим, иногда становится второстепенным или вообще перестает встречаться. Например, если устранить или замедлить изнашивание торцов зубьев колес коробки передач при переключениях, то ресурс увеличится и преобладающей причиной отказов зубчатых колес станет выкрашивание или поломка зубьев от усталости. Если упрочнить шейки валов трансмиссии хромированием или специальной термообработкой, ресурс валов возрастет и износ шлицев будет опережать износ шеек. Изменение условий эксплуатации также часто приводит к изменению видов повреждений и последовательности их возникновения.

При определении вида и анализа причин повреждения следует иметь в виду постепенность процесса разрушения и возможные его изменения во времени. Поэтому наибольший практический интерес представляют начальные стадии разрушения детали, когда основная причина разрушения не искажается его последствиями.

Возникает необходимость повысить износостойкость деталей, лимитирующих срок службы устройства в целом. В этом случае проводят исследование износа деталей с целью разработки методов повышения их износостойкости и повышения долговечности всего устройства.

Первый этап исследований начинается с изучения работы лимитирующих деталей, с привлечением возможно большего числа объектов исследования. Наблюдения за работой «подопытных» деталей желательно вести на механизмах при различных условиях испытаний и с различными нагрузками. Сведения о выходе из строя деталей нужно накапливать в течение определенного срока по единой методике. Накопление статистического материала об интенсивности износа в эксплуатации ведется на основании обмеров или взвешивания деталей. Параллельно с этим, детали, снятые в результате достижения предельных параметров или в результате катастрофического (аварийного) износа подвергаются исследованию.

Второй этап базируется на результатах первоначальных исследований и заключается в моделировании ведущего вида износа на испытательных установках. В качестве установок для исследования износа могут использоваться как серийные машины, так и уникальные установки, и стенды, создаваемые для исследования износа узкого круга деталей. Главным фактором при исследовании является воспроизведение ведущего вида износа исследуемых деталей.

Третий этап. Определив характер и интенсивность изнашивания образцов на испытательных лабораторных установках, совпадающих с основными характеристиками изнашивания детали в эксплуатации, разрабатывается методика упрочнения поверхностей образцов и режимы их испытания для получения сопоставимых результатов.

Четвертый этап. После окончательного выбора метода упрочнения образцов и получения результатов их исследований испытания переносят в эксплуатацию. Это - очень важный, но не всегда простой фактор, так как во первых, должны быть изготовлены новые детали на основе разработанной (выбранной) упрочняющей технологии, а во-вторых, эти детали должны быть установлены на реальные механизмы (установки), эксплуатируемые на производстве в типичных условиях.

изнашивание твёрдое тело фрикционный

Литература

1. Кугель Р.В. Испытания на надежность машин и их элементов. М. Машиностроение, 1982. 181 с. ил.

2. Машины и стенды для испытаний деталей /Под ред. Д.Н.Решетова/ М.: Машиностроение, 1979. 343 с. ил.

3. Мухаммадиев Б.С. Выявление, анализ и классификация обобщенных приемов улучшения характеристик трансформаторных преобразователей механических напряжений //Международный научно-образовательный электронный журнал «Образование и наука в XXI веке». ISSN 2782-4365. Выпуск №24 (том 6) (март,2022). с. 1034-1040.

Размещено на Allbest.ru