Триботехника при конструировании, изготовлении и эксплуатации машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

конструирование машина узел смазка

1. Триботехника при конструировании машин

1.1 Материалы для трущихся деталей

1.2 Жесткость узлов, податливость и специальная конфигурация деталей как факторы повышения износостойкости пар трения

1.3 Принцип взаимного дополнения качества

1.4 Разгрузка рабочих поверхностей

1.5 Замена в узлах машин трения скольжения трением качения

1.6 Смазка деталей машины

1.7 Учет легкости ремонта при конструировании машин

2. Триботехника при изготовлении машин

2.1 О качестве сопрягающихся поверхностей и точности их взаимного расположения в связи с износостойкостью деталей

2.2 Термическая обработка рабочих поверхностей деталей

2.3 Гальванические покрытия поверхностей деталей

2.4 Наплавка, напыление, электроискровое упрочнение поверхностей трения деталей

3. Триботехника при эксплуатации машин

3.1 Изменение свойств смазки в процессе эксплуатации

3.2 Обкатка машин. Стендовые и эксплуатационные испытания

3.3 Уход за машиной во время работы, смазка узлов, ремонт машин, очистка деталей, агрегатов и систем смазки

3.4 Оценка технического состояния трущихся деталей и предельные величины их износов

Список используемой литературы



1. Триботехника при конструировании машин

1.1 Материалы для трущихся деталей

Общие аспекты

Развитие конструкций машин происходит при постоянном стремлении к увеличению их производительности, что почти всегда сопровождается повышением механической и тепловой напряженности подвижных сопряжений деталей. В связи с этим перед конструктором возникает необходимость создания новых, более совершенных узлов трения. Помимо того, ставятся задачи достижения высокой надежности и долговечности машины, снижения ее массы, сокращения расхода дефицитных материалов. Это особенно важно при конструировании машин массового производства. Известно, что повышение долговечности машины даже в небольшой степени ведет к значительной экономии металла, уменьшению затрат на производство запасных деталей; сокращается объем и число ремонтов, а следовательно, увеличивается количество фактически работающих машин.

Поскольку при конструировании машин учитываются и экономические факторы производства и эксплуатации, конструктору необходимо проводить перспективный прогноз длительности использования данной машины с учетом продолжительности эксплуатации машин предшествующих моделей. В ряде случаев этот срок составляет 25 лет, а иногда и более, например, для металлообрабатывающих станков, автомобилей, тракторов, транспортных самолетов. При выборе конструктивного решения необходимо учитывать предстоящие затраты не только на изготовление машины или ее отдельных узлов, но и на обслуживание и ремонт. Последние затраты при длительной эксплуатации машины во много раз больше стоимости ее изготовления. Поэтому главное внимание конструктора должно быть направлено на то, чтобы уменьшить скорость изнашивания узлов трения машины, сократить время и затраты труда на замену изношенных деталей и на регулировочные работы, снизить силы трения, повысив тем самым КПД машины, и др.

Естественно, особое внимание должно быть направлено на наиболее слабые узлы трения машины, износ которых лимитирует сроки службы отдельных агрегатов. Частыми из них являются уплотнения, поршневые кольца, направляющие станков, режущие кромки ножей и др. Успех работ будет зависеть от степени использования достижений в области трения, изнашивания и смазки машин, а также от фактических результатов всесторонних лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний материалов и конструкций узлов машин и оборудования. Должен быть использован, кроме того, опыт в области повышения долговечности машин смежных отраслей промышленности.

Разделение материалов деталей пар трения по их назначению

Трущиеся детали в зависимости от их назначения изготовляют из конструкционных фрикционных, износостойких и антифрикционных материалов обширной номенклатуры. Во многих случаях материалы наносят в виде покрытия, пленок или накладок на остов из основного конструкционного материала. Иногда в силу специфичности требований электропроводности (скользящие контакты, ламели коллекторов электродвигателей), стойкости к воздействию химически агрессивных сред (газов, в том числе горячих; рабочих жидкостей в системах питания двигателей и ракет; кислот и щелочей) и др. трущиеся детали изготавливают из сталей и других сплавов специального назначения; окислов металлов, металлокерамических и неметаллических материалов.

Из конструкционных сталей изготовляют детали, которые должны удовлетворять условиям высокой прочности, жесткости или податливости и иметь на тех или иных участках поверхности трения. Это детали типа валов, пальцев, болтов шарниров, зубчатых колес и т.д. Из стали, а также из чугуна, изготавливают силовые цилиндры, поршни, плунжеры и поршневые кольца. Чугун широко распространен как материал для станин, столов кареток, ползунов, по направляющим которых совершается трение; область применения его расширяется.

Выбор материалов

При конструировании узлов трения выбор материалов в этом случае представляет собой трудную задачу, несмотря на то, что практика машиностроения располагает здесь большим опытом. Такой выбор зависит от конструкции и назначения узла, технологии производства, условий эксплуатации, от требований к общей прочности деталей, сроку их службы и надежности при учете стоимости материала и его дефицитности, затрат на изготовление деталей из данного материала и эксплуатационных расходов.

Литые коленчатые валы обладают рядом преимуществ перед валами из кованой стали в части экономии металла, снижения трудоемкости и сокращения технологического цикла. Большие возможности имеются в отношении совершенствования конструкции литого вала.

Сплавы, применяемые для коленчатых валов, можно разделить на содержащие в своей структуре графит (чугуны, графитизированная сталь) и не содержащие графита (углеродистая и легированная стали). Сплавы первой группы более износостойки. Поточность производственного процесса легче осуществить при изготовлении чугунных валов. Если за единицу принять стоимость вала, изготовленного из высококачественного чугуна с пластинчатым графитом без термообработки, то стоимость вала из перлитного ковкого чугуна будет 2,5-3,0; из чугуна с шаровидным графитом без термообработки - 1,25, с термообработкой - 1,5; из углеродистой стали - 2,5; из легированной стали - 2,5; из графитизированной стали - 3,0-3,3.

Ковкий перлитный чугун, как материал для изготовления коленчатых валов, занимает в зарубежном производстве второе место вслед за сталью. Это объясняется, частично, введением ускоренного отжига ковкого чугуна за счет добавки к жидкому чугуну висмута и бора.

На выбор материалов могут оказать наибольшее влияние физико-химические явления на поверхностях трения, зависящие от условий работы.

Выбор материала по техническим условиям (или стандарту), содержащим характеристики механических свойств или даже химический состав, не гарантирует стабильности срока службы деталей в одинаковых условиях эксплуатации. При одних и тех же химическом составе и механических свойствах материал может значительно различаться по износостойкости, что связано с некоторым различием его структур. Крупнозернистым сплавам свойственна большая пластичность и легкая прирабатываемость, но они менее износостойки. Наличие легко выкрашивающихся твердых или крупных мягких составляющих, склонных к схватыванию с материалом сопряженной детали, является дефектом структуры материалов трущихся деталей. Крупные карбиды в чугунных отливках способствуют образованию сетки термических трещин при работе деталей. Это - единичные примеры связи структуры сплава с износостойкостью.

Общая схема подбора металлополимерных и полимерных материалов для трущихся деталей, разработанная В.А. Белым и А.И. Свириденоком, приведена на рис. 1. Как видно, основным критерием окончательного выбора материала для трущихся деталей, являются результаты опытно-промышленной проверки. Предварительно должны быть проведены лабораторные и натурные испытания, максимально приближенные к эксплуатационным.



Рис. 1. Общая схема подбора металлополимерных и полимерных материалов для трущихся деталей

1.2 Жесткость узлов, податливость и специальная конфигурация деталей как факторы повышения износостойкости пар трения

Увеличение податливости одной из деталей сопряженного узла или, наоборот, повышение жесткости детали либо узла в целом может благоприятно влиять на его долговечность. В других случаях положительное воздействие может оказать коррекция формы рабочих поверхностей деталей.

Податливость детали

Податливость детали, общая или местная, позволяет ее рабочей поверхности следовать за деформацией сопряженной детали и приспосабливаться к неточностям ее геометрической формы. Самоустанавливающийся опорный подшипник является простейшим примером конструкции, имеющей деталь свободной податливости в виде вкладыша, обладающего угловой подвижностью. Полнее роль податливости проявляется в резинометаллических вкладышах и гуммированных деталях, во вкладышах из пластмасс и мягких покрытиях рабочих поверхностей.

Жесткость детали

Детали и узлы технологических машин должны обладать такой жесткостью, чтобы неточность размеров и формы изготовляемого изделия, связанная с относительными перемещениями инструмента и деталей машины под действием рабочих усилий, не выходили за пределы допуска. Определенным требованиям жесткости необходимо удовлетворять, исходя из упругой устойчивости деталей, вибростойкости узлов и некоторых других, специфических условий, как, например, в электрических машинах. Задача повышения износостойкости деталей предъявляет свои требования, относящиеся не только к общей, но и к местной жесткости конструкции. Причинами неравномерности, помимо неточностей изготовления деталей передачи и сборки их, являются изгиб и кручение валов, кручение зубчатых колес, деформация опор и корпусов. Наиболее существенно влияние изгиба валов. Помимо изгиба вала, сильно влияет деформация опор и люфты в подшипниках. Отношение l/c следует брать не менее 2,5, чтобы уменьшить влияние деформации подшипников и люфтов в них на угол перекоса оси вала.



Рис. 2. Консольное а) и неконсольное б) расположение конического колеса: Д₁ Д₂ - перемещение вала соответственно на опорах 1 и 2

Конфигурация детали

Положение о том, что изменением обычной конфигурации рабочих поверхностей деталей удается в ряде случаев улучшить работу пар трения, проиллюстрируем на примере.

Из деталей, применяемых в уплотнительных устройствах, наиболее массовыми являются манжеты и кольца из эластичных материалов, в основном из резины. Рабочие кромки манжет привращении валов испытывают большие нагрузки и при высоких скоростях вращения валов нагреваются и выходят из строя. На величину контактного давления влияют предварительный натяг поверхности уплотнения, овальность и эксцентричность контактирующих поверхностей, давление рабочей среды, амплитуда и частота вибраций и ряд других факторов. Для улучшения работы манжетного уплотнения - его контактной поверхности, важно обеспечить надежный отвод тепла. С этой целью И.Я. Альшиц и А.И. Голубев предложили резиновые манжетные уплотнения выполнять с волнообразными кромками. В этом случае площадь трения увеличивается примерно на 2%, площадь теплоотдачи вращающегося вала -- примерно на 200% (на рис. 4.6 а, показаны линия 1 контакта в статике, а на рис, 4.6 б - зона "в" отвода тепла в динамике). Для снижения температуры в уплотнениях авторы не рекомендуют устанавливать манжеты на полый вал и с большим натягом. Увеличить теплоотдачу можно также, используя детали с высокой теплопроводностью, усилив интенсивность охлаждения зоны трения принудительным потоком жидкости вблизи зоны.

Рис. 3. Резиновые уплотнения с волнообразными кромками

1.3 Принцип взаимного дополнения качества

Общие сведения

Этот принцип отражает технико-экономическую сторону при конструировании и производстве деталей машин, инструмента и других изделий. В работах В.А. Добровольского и Л.Б. Эрлиха он фигурирует под наименованием принципа местного качества. Поясним его содержание и предпосылки зарождения.

К деталям машин предъявляются требования общей и контактной прочности, жесткости или податливости, износо- и коррозиестойкости, вибростойкости и т.д. Выполнение этих требований в совокупности обеспечивается надлежащим выбором материала, назначением размеров, удовлетворяющих должной прочности изделия, рациональных конструктивных форм деталей и соответствующей технологии изготовления в целом. Выбор материала, который в "сыром" виде полностью отвечал бы условиям работы деталей, представляет сложную и зачастую невыполнимую задачу. Так, стальная деталь, испытывающая воздействие динамической нагрузки и подверженная изнашиванию, должна обладать высокой прочностью и твердостью, значительными пластичностью и ударной вязкостью.

Во многих случаях оказывается экономически целесообразным применить для изготовления деталей конструкционную углеродистую или легированную сталь с последующей ее цементацией и закалкой. В результате такой обработки изделие становится неоднородным по своему строению, имея вязкую сердцевину и твердый износостойкий, но мало пластичный поверхностный слой. Здесь качества сердцевины и поверхностного слоя дополняют друг друга, образуя необходимую по условиям службы деталей комбинацию свойств.

1.4 Разгрузка рабочих поверхностей

Поверхности трения в некоторых случаях можно разгрузить, внеся в конструкцию машины изменения, направленные на снижение действующих усилий, или уменьшив долю нагрузки, воспринимаемую непосредственно контактирующими участками деталей. Простейшим примером такой разгрузки может служить шевронная передача, когда при незафиксированном в осевом направлении одном из колес осевые усилия с полушевронов не передаются на валы и их опоры. Другим примером является двухколодочный тормоз, разгружающий валы и подшипники от радиальных сил прижатия колодок к шкиву.

Уравновешивание динамических усилий в звеньях машин уменьшает нагрузку на сочленения. В частности, в многоцилиндровых двигателях, в которых силы инерции первых порядков уравновешены в пределах блока цилиндров, применяют иногда противовесы для разгрузки опорных подшипников. В предположении, что коленчатый вал представляет собой систему разрезных валов, Я.Л. Геронимус дал решение задачи оптимального подбора противовесов.

1.5 Замена в узлах машин трения скольжения трением качения

Такая замена во многих случаях целесообразна для повышения долговечности деталей, надежности их работы и экономичности машин. Заводы нашей страны выпускали около 1 млрд. подшипников в год более 15 тыс. типоразмеров диаметром от 0,25 мм до 2 м и более, массой от 0,4 г до 7 т.

Подшипниковые узлы

Каждому виду опор скольжения или качения свойственны как положительные, так и отрицательные стороны. Подшипники качения имеют следующие преимущества:

Уменьшаются потери на трение по сравнению с потерями у подшипников скольжения, работающих при несовершенной смазке или даже в режиме трения при жидкостной смазке. Применение подшипников качения, как правило, повышает КПД машины и улучшает использование силовой установки.

Экономится большое количество цветных металлов - меди, олова, свинца, расходуемых на изготовление вкладышей подшипников скольжения.

Уменьшается расход смазочных материалов.

Отпадает надобность в принудительном охлаждении, что часто практикуется, например, в упорном и туннельных подшипниках скольжения судового валопровода.

Упрощается уход.

У валов при правильно назначенных посадках отсутствует износ шеек, что исключает необходимость ремонта последних.

Шарико- и роликоподшипники стандартизованы, что упрощает конструирование подшипникового узла. Поступление подшипников качения в сборочный цех в виде собранного комплекта ускоряет изготовление и монтаж машины.

Рассмотрим случаи модернизации вала с ориентацией на применение подшипников качения, в результате которой уменьшились габариты машины и повысилось ее качество. Коленчатый вал, как известно, состоит из шатунных (мотылевых) и коренных (рамовых) шеек и щек. У рядных двигателей подшипники качения в коренных опорах валов встречались только в виде исключения в связи с трудностью монтажа и ослаблением вала. Там, где это имело место, для возможности монтажа внутренний диаметр подшипника должен был назначаться размером больше диаметра шеек вала с тем, чтобы подшипник мог пройти через колена вала. Подшипник устанавливали на шейку при помощи подкладных полуколец, удерживаемых на валу одним или двумя крепежными винтами. Нарезанные для этого отверстия уменьшали циклическую прочность вала.

У быстроходного дизеля мод. МО фирмы Майбах (ФРГ), разрезы которого приведены на рис. 9.5, дисковые шейки коленчатого вала выполняют одновременно роль щек и коренных шеек. Коренные подшипники выполнены роликовыми; внутренней дорожкой качения у них служит закаленная цилиндрическая поверхность щеки, а наружное кольцо установлено в расточке блок-картера. Такая конструкция коленчатого вала и блок-картера обеспечивает: 1) значительное сокращение длины двигателя; 2) высокую жесткость и прочность вала; 3) возможность развить в длину опорную поверхность шатунных шеек, что имеет большое значение для двухрядных двигателей, в которых на шейку опираются два шатуна; 4) повышение надежности работы коренных подшипников ввиду меньшей чувствительности к подводу смазки и отсутствия легкоплавкого антифрикционного слоя.

Замена жесткого фланцевого соединения валов простой втулочной муфтой на гидропрессовой посадке позволила оборудовать судовые валопроводы обычными, неразъемными по длине сферическими роликоподшипниками или подшипниками с цилиндрическими роликами.



1.6 Смазка деталей машины

Общие замечания

Смазка трущихся поверхностей деталей машины необходима для уменьшения сопротивления трения и обусловленной им потери энергии, уменьшения износа и нагрева деталей, а также для оказания демпфирующего действия и предохранения поверхностей от коррозии во время бездействия машины. Таким образом, смазка оказывает смазывающее, демпфирующее, защищающее от коррозии и охлаждающее действие. В поток смазочного масла отводится как теплота трения, так и притекающая к поверхностям трения теплота от горячих частей машины, как, например, в паровых турбинах, в двигателях внутреннего сгорания, в насосах для перекачки горячих жидкостей. Потоком масла выносятся также из зоны трения продукты износа.

Роль смазки в охлаждении и очистке поверхности трения значительна даже при бедной, но возобновляющейся в работе смазке. Трение металлов при смазке их хотя бы такой полярно неактивной и маловязкой жидкостью, как керосин или вода, меньше, а износ - во много раз меньше, чем при сухом трении. При трении чугуна по чугуну на машине Амслера при удельной нагрузке 12,5 МПа и одинаковой скорости скольжения В.П. Гречиным были получены следующие результаты: коэффициент трения при смазке минеральным маслом 0,02, керосином 0,06, водой 0,22, без смазки 0,6; суммарный весовой износ пары образцов в относительных единицах соответственно составлял 1; 1,9; 17,2 и 437. Понижение температуры поверхности трения смазочной пленкой объясняется большей ее теплоемкостью, чем у металлов. Весовая теплоемкость меди и железа составляет 0,11, чугуна 0,13, машинного масла 0,40, керосина 0,51, воды 0,99.

Демпфирующее действие смазочного материала заключается в снижении динамичности переменной нагрузки и в уменьшении поперечных и продольных колебаний при переходе через критическую частоту вращения валов. Одновременно под влиянием масляного слоя подшипников жидкостного трения возможны усиленные вибрации роторных машин, нарушающие нормальную их работу.

1.7 Учет легкости ремонта при конструировании машин

Длительность и стоимость ремонта машин данного типоразмера одной и той же изношенности зависит от объема монтажно-демонтажных работ, от возможности повторного использования изношенных деталей, от наличия сменно-запасных деталей, от возможности быстрого восстановления рабочих поверхностей деталей и тому подобных факторов. Поэтому вопросы технологичности машины с точки зрения ремонта должны учитываться при разработке ее конструкции и технологии производства. Конструкция должна быть технологичной как в основном производстве, так и в условиях ремонта.

Требования к технологичности конструкции с точки зрения ремонта можно свести к следующим:

1. Возможность монтажа и демонтажа узлов машин без их разборки. Этому требованию удовлетворяет блочность конструкции, позволяющая сократить не только цикл изготовления узлов и агрегатов машины и продолжительность общей сборки, но и время на ее ревизию и ремонт.

2. Возможно большая доступность в узлах к парам трения, детали которых нуждаются в периодическом ремонте, и быстросменность и долговечность элементов.

3. Возможность и экономическая рентабельность ремонта деталей. Ремонт часто оказывается практически невозможным при отсутствии в детали соответствующего запаса на обработку.

4. Применение сменных элементов.



2. Триботехника при изготовлении машин

2.1 О качестве сопрягающихся поверхностей и точности их взаимного расположения в связи с износостойкостью деталей

Шероховатость поверхности

Рис. 4. Связь между количеством изношенного металла Q, временем изнашивания и шероховатостью поверхности Н_ск

При трении скольжения, независимо от изменения в относительно широких пределах исходной шероховатости рабочих поверхностей тел, к концу приработки устанавливается для каждой из поверхностей пары скольжения определенная, свойственная данному сочетанию материалов и условиям трения шероховатость, сохраняющая стабильность при дальнейшем постоянном режиме трения.

На рис. 4 приведена принципиальная схема определения шероховатости поверхности при изнашивании металлов, разработанная П.Е. Дьяченко. По вертикальной оси от 0 до B откладывается величина износа металла, а от 0 до Т -- время испытания. По горизонтальной оси откладывается величина неровностей Нск. Верхняя кривая 1-1 показывает, как изнашивается металл при больших давлениях и недостаточной смазке (тяжелые условия трения). Минимальный износ получается при определенной шероховатости поверхности в точке 3. При более легких условиях работы (кривая 2-2) минимум износа сдвигается в область менее шероховатых поверхностей. В нижней части схемы показано изменение шероховатости трущихся поверхностей в зависимости от времени изнашивания Т.

Из диаграммы следует, что при минимальном износе (верхняя половина диаграммы) устанавливается оптимальная шероховатость (т. 6), к которой стремится исходная шероховатость (т. 4 или 5) поверхностей трения после их обработки.

Таким образом, независимо от вида трения, в процессе приработки исходная шероховатость поверхностей переходит в эксплуатационную, т.е. ту, при которой длительно работают эти поверхности. Опыт показывает, что продолжительность приработки тем короче и объем изношенного металла тем меньше, чем ближе исходная шероховатость трущихся поверхностей к шероховатости их после приработки.

Поскольку к установившейся стадии изнашивания одинаковые пары трения приходят с соответственно одинаковыми шероховатостями поверхностей, то при прочих равных условиях скорость установившегося изнашивания должна быть одной и той же. Влияние исходной шероховатости поверхности на интенсивность изнашивания ограничивается стадией приработки.

Волнистость поверхности

При обработке поверхностей трения деталей абразивными брусками (суперфиниш, хонингование) при определенных условиях может преобладать резание металла абразивными зернами или же пластическое деформирование неровностей. При первом процессе достигается точность обработки, а при втором -- малая шероховатость поверхности (R_a= 0,08... R_z= 0,05 мкм). Оба эти процесса оказывают разное влияние на структуру и свойства поверхностного слоя материала детали.

Исследованиями З.И. Кромеля, В.В. Медведева и В.Н. Дугина установлено, что при обработке закаленной стали преимущественно резанием возникают остаточные напряжения сжатия 200...400 МПа, а при полировании -- 700...900 МПа. Глубина напряженного слоя составляет 5.,. 15 мкм, причем наибольшие остаточные напряжения зафиксированы на глубине I... 1,5 мкм. Микротвердость поверхностного слоя закаленной стали при хонинговании увеличивается с 6000 до 7100...7200 МПа и снижается при повышении давления и зернистости брусков хона, т.е. при преобладании резания. При полировании с повышением давления на бруски с 0,4 до 1,6 МПа микротвердость может повыситься с 8500 до 9460 МПа.

В связи с изложенным для достижения максимальных сжимающих остаточных напряжений и степени упрочнения поверхностного слоя детали рекомендуется заканчивать операции хонингования и суперфиниширования в режиме трения -- полирования, для чего необходимо повысить окружную скорость детали или хонинговальной головки до 70...80 м/мин, а затем увеличить давление на абразивные бруски до 0,6...0,8 МПа при суперфинише и до 1...2 МПа при отделочном хонинговании. Машинное время обработки в режиме трения полирования должно составлять 25...30 % общего времени обработки.

Волнистость поверхности уменьшает площадь фактического контакта сопрягаемых поверхностей и повышает удельную нагрузку. Если под нагрузкой контакт нигде не нарушается, то фактическая площадь касания равна номинальной. Наличие волнистости в корне меняет ситуацию: взамен плоских контактируют кривые поверхности со свойственными им значительными напряжениями на малых площадках взаимного касания.

Влияние волнистости стальных поверхностей на износостойкость пар трения скольжения исследовалось П.Е. Дьяченко и В.Э. Вайнштейн в лабораторных условиях на образцах из баббита Б83 и бронзы БрСЗ0, а в условиях стендовых испытаний -- на поршневых пальцах и втулках (БрОЦ 10-2). М.И. Палей проводил аналогичные исследования на шатунных шейках коленчатых валов тракторных двигателей и тонкостенных вкладышах со слоем свинцовистой бронзы. Лабораторными исследованиями было установлено, что при наличии волнистости на чисто- или тонкошлифованной поверхности термически обработанной стали 45 (НКС57) скорость изнашивания менее твердого материала пары трения возрастает линейно с увеличением высоты волн. Это имеет место не только в период приработки, но и при установившейся скорости изнашивания.

Стендовые испытания поршневых пальцев двигателя проводились в основном при его пятичасовой работе, контрольные -- на двух двигателях с их разборкой через 5, 60, 200 и 260 ч работы. Основные испытания валов и подшипников проводились на трех двигателях, работавших после 60-часовой обкатки 240 ч. В результате испытаний установлено, что в среднем скорость изнашивания пальцев, втулок шатунов и шеек валов возрастает с увеличением высоты волн. При срабатывании волнистости в процессе приработки разница скоростей изнашивания волнистых и гладких поверхностей уменьшается. Скорость изнашивания зависит от шага волны и в значительно меньшей степени -- от ее высоты.

Влияние наводороженности поверхности на ее износостойкость

Наличие водорода в поверхностном слое детали снижает ее износостойкость. В.Я. Матюшенко и М.А. Андрейчинком установлено, что в процессе технологических операций происходит усиленное наводороживание металлических деталей. Технологически приобретенный водород локализуется в приповерхностном слое, где содержание его более чем в 20 раз выше, чем в сердцевине детали. Авторами установлено также, что при токарной обработке без применения СОЖ в поверхностном слое содержится водорода 0,4 см³/100 г, а с применением СОЖ -- 5,6 см³/100 г. В процессе термообработки последующей схеме: закалка, отпуск, цементация, отжиг, закалка, обработка холодом, отпуск и старение, -- содержание водорода после каждой операции составляло соответственно 13,7, 15, 14, 19, 18, 17 и 15см³/100 г.

Одним из методов удаления водорода из поверхностного слоя детали является полирование (последняя технологическая операция). При полировании верхние слои металла, в которых имеется наибольшее количество водорода, помимо их незначительного удаления, нагреваются, и деталь подвергается своеобразной термической обработке. Поскольку максимум температуры при полировании находится на обрабатываемой поверхности, водород диффундирует к поверхности и десорбируется.

2.2 Термическая обработка рабочих поверхностей деталей

Газопламенная поверхностная закалка (ГППЗ)

При этом способе закалки детали нагревают пламенем, образующимся при сгорании смеси горючих газов и кислорода. Используют также керосиново-кислородное пламя. Форма нагревательного пламени должна соответствовать форме закаливаемой поверхности. Пламя формируется профилем многопламенного наконечника горелки. Нагрев пламенем большой мощности, при котором к поверхности изделия подводится значительно больше теплоты, чем отводится вглубь благодаря теплопроводности, обеспечивает закалку с меньшими затратами времени и тепловой энергии.

При достаточно интенсивном охлаждении структурные зоны после закалки доэвтектоидной стали располагаются так: слой, нагретый выше А_сз, образует зону мартенсита; слой, нагретый до температур интервала между А_С1 и А_C3, воспринимает неполную закалку и образует зону переходных структур; ниже следует исходная феррито-перлитная структура.

Для охлаждения изделия после нагрева применяют, в зависимости от содержания углерода в стали, воду комнатной температуры или подогретую эмульсию, или сжатый воздух. Последний используется в основном при ступенчатом охлаждении, когда воздух подается между пламенем и струями воды. К такому охлаждению прибегают при закалке на троостит и при сорбитизации сталей с содержанием углерода 0,6 % и выше и низколегированных сталей. Разбрызгиватели, назначение которых формировать линейный, полукольцевой, кольцевой и сложного очертания профиль охлаждающих струй, выполняются в виде отдельных устройств и в зависимости от способа ППЗ могут присоединяться к наконечникам. В сопловых наконечниках газовые, водяные и воздушные сопла устраивают в одном корпусе.

Рис. 5. Схемы циклических (а, б) и непрерывных (в -- д) способов пламенной поверхностной закалки: а - стационарный; б - быстрого вращения; в - непрерывно-последовательный; г - комбинированный кольцевой; д - комбинированный спиральный; 1 - изделие; 2 - горелка; 3 - разбрызгиватель

В зависимости от формы и размеров закаливаемой поверхности и программы выпуска изделий закалку осуществляют циклическими и непрерывными способами (рис. 5).

При циклических способах всю поверхность, подлежащую закалке, нагревают до закалочной температуры, а затем охлаждают. При стационарном способе закалки неподвижную деталь с малой плоской или криволинейной поверхностью закалки (до 100 см³) нагревают неподвижной горелкой. Время нагрева определяется толщиной изделия и мощностью пламени. Так, при использовании ацетиленокислородной смеси, толщине изделия 120 мм и удельном расходе ацетилена 60 л/ч на 1 см² требуется на нагрев только 12 с. Время охлаждения принимается равным времени нагрева или на 20 % более.

При способе быстрого вращения подлежащая закалке цилиндрическая поверхность вращается с окружной скоростью 8...20 м/мин и нагревается неподвижной горелкой. Способ применяется при закалке цилиндрических поверхностей диаметром до 150 мм при длине не выше двух диаметров (шейки прямых и коленчатых валов, оси, поверхности отверстий), а также при закалке цилиндров диаметром до 450 мм при длине до 100 мм (опорные катки, ролики и т.п.). Изделия больших диаметров вращают вокруг вертикальной оси, а нагрев производят несколькими горелками. Способ быстрого вращения обеспечивает закалку с равномерной твердостью и глубиной.

При непрерывных способах закалки горелка и изделие вращаются друг относительно друга, а прикрепленный к наконечнику горелки разбрызгиватель производит закалку поверхности, нагретой до закалочной температуры. К непрерывным способам относятся непрерывно-последовательный, комбинированный кольцевой и комбинированный спиральный.

Высокочастотная закалка

Метод предложен В.П. Вологдиным. Это -- поверхностная закалка при нагреве металла индуцируемым в нем переменным током высокой частоты. Пропускаемый через нагреватель-индуктор ток создает переменное магнитное поле, под действием которого в электропроводном теле, установленном в индукторе с малым зазором, возбуждается ток. Вследствие так называемого поверхностного эффекта индуцированный ток оттесняется к поверхности тела, где плотность тока оказывается наибольшей. Быстрота снижения плотности тока характеризуется глубиной h его проникновения, под которой понимают глубину, где плотность тока падает в е = 2,7 (е -- основание натурального логарифма) раз по сравнению с ее значением на поверхности. В пределах глубины h выделяется свыше 85 % всей джоулевой теплоты. Глубина h обратно пропорциональна квадрату частоты тока. При температуре выше температуры магнитного превращения в железе глубина h увеличивается в 10... 15 раз.

Процесс индукционного нагрева протекает так: в начальной стадии тепловыделение сосредотачивается в тончайшем поверхностном слое, по мере потери сталью магнитных свойств, глубина проникновения тока увеличивается, и область тепловыделения непрерывно возрастает; вне этой области нагрев происходит за счет теплопроводности. Распределение температуры по глубине характеризуется малым градиентом в слоях с температурой выше температуры магнитного превращения и крутым спадом на большой глубине.

Высокочастотная закалка осуществляется способами одновременной закалки, последовательным и непрерывно-последовательным.

По первому способу поверхность детали, подлежащую закалке, нагревают целиком до достижения необходимой температуры на заданной глубине слоя. Для закалки некоторых высоколегированных сталей достаточно охлаждения на воздухе. Способом одновременной закалки закаливают широкий круг изделий -- швейные иглы, винты, сверла, метчики, оси, прямые и коленчатые валы, кулачковые и шлицевые валы, шестерни, рычаги переключения коробок передач и т.д. Если площадь закаливаемой поверхности значительна и одновременная закалка неосуществима или экономически невыгодна, то применяют другие способы.

Поверхностная закалка с электронагревом в электролите

Метод предложен И.З. Яснопольским. Сущность его состоит в следующем. Если металлическую ванну, наполненную электролитом в виде раствора кальцинированной соды или поташа, подключить к положительному полюсу электрической цепи, а стальной стержень, погруженный в электролит, присоединить к отрицательному полюсу, то при достаточно большой силе тока стержень быстро нагреется до высокой температуры. Это объясняется в основном тем, что выделяющийся на катоде водород образует на погруженной поверхности стержня оболочку с большим электрическим сопротивлением. Одновременно оболочка служит тепловым экраном, предохраняющим стержень от охлаждения при циркуляции электролита. Если необходимо предохранить кромки торцев детали от перегрева, то торцы экранируют; вращая вал, можно равномерно нагреть шейки. Нагрев кулачков происходит неравномерно по глубине. Для устранения этого явления применяют автоматическое устройство, регулирующее силу тока по отдельным участкам рабочей поверхности. Описанный метод используется для закалки штанг толкателей, стержней клапанов, поводковых пальцев, штифтов, торцевых винтов и т.д.

2.3 Гальванические покрытия поверхностей деталей

Электролитическое никелирование (твердое)

Метод предназначается для повышения износостойкости и для восстановления таких деталей, как коленчатые валы двигателей, шпиндели металлорежущих станков, поршневые пальцы, гильзы цилиндров, поршни гидравлических машин, направляющие, втулки и др. При восстановлении размеров толщина слоя может достигать 1,25 мм.

Коэффициент линейного расширения никеля близок к коэффициенту линейного расширения стали, в то время как у хрома он в несколько раз больше. При трении без смазки износостойкость никелевого покрытия в 2,5...3 раза выше, чем закаленной стали, и на 10...20 % ниже, чем электролитического хрома. Мощность источников постоянного тока при никелировании в 3...4 раза меньше, чем при хромировании, а расход электроэнергии меньше в 20 раз.

Твердое блестящее никелирование получается в электролите следующего состава (г/л): сернокислый никель 250...300, хлористый натрий 20...25, борная кислота 30...35, сернокислый аммоний 25...30, фтористый натрий 3...5, кумарин 0,05, паратолуолсульфамид 2...3. Режим процесса: температура 45...60 °С; РН = 4,5...4,8; катод -- никелируемая деталь, анод - никель. В процессе электролиза производится непрерывное перемешивание и фильтрация электролита. Плотность тока 4...6 А/дм².

Твердое никельфосфорное покрытие производится в электролите следующего состава (г/л): сернокислый никель 200...250, хлористый никель 30*..50, фосфорная кислота 50, гипофосфид натрия или калия 7,5... 10. Режим процесса: температура 75...85°С, РН = 1,3...1,8. Катодом служит покрываемая деталь, анодом -- никель. Плотность тока10...30 А/дм². Для увеличения твердости и прочности сцепления покрытия с основным металлом деталь подвергают нагреву в течение 1 ч при температуре 300,..400°С.

Лужение, свинцевание и гальваническое покрытие сплавами

Олово обладает значительной пластичностью и химической устойчивостью; температура его плавления 231,9 °С; стоимость олова высока, это -- дефицитный металл. Лужение -- процесс нанесения слоя олова на поверхность детали или изделия. Оловянные покрытия применяют главным образом для предохранения от окисления и облегчения пайки электрических контактов и для защиты от коррозии изделий, предназначенных для приготовления и хранения пищевых продуктов. Покрытие оловом используют для ускорения приработки поверхности чугунных и алюминиевых поршней и поршневых колец. Лужение этих деталей производят гальваническим способом при оловянном, как обычно, аноде.

Свинец -- металл высокой пластичности и низкой механической прочности с температурой плавления 327,4 °С; сравнительно плохой проводник тепла; химически стоек к растворам серной кислоты и слабой соляной; разрушается едкими щелочами, азотной кислотой и многими органическими кислотами. Свинцеванию подвергают конструкции и изделия из черных и цветных металлов для защиты их от воздействия растворов и газов. Помимо этого свинцевание используют для улучшения приработки таких деталей, как пористохромированные поршневые кольца и вкладыши подшипников. Покрытие уменьшает время обкатки.

Существенным недостатком свинцового покрытия является его коррозионное разрушение с течением времени кислотами, содержащимися в смазочных маслах.

Недостатки свинцового покрытия вызвали применение свинцово-индиевого покрытия. Индий -- ковкий, мягкий (мягче свинца) металл с температурой плавления 156°С. Его основное назначение, как компонента сплава, -- устранить склонность свинца к растворимости в органических кислотах. Скорость изнашивания шеек коленчатых валов при этих покрытиях ниже, чем при свинцовых покрытиях. Опыт эксплуатации свинцово-индиевых покрытий подшипниковых втулок, залитых свинцовой бронзой, показал целесообразность таких покрытий толщиной до 0,1 мм. Несмотря на наличие индия в покрытии, оно все же может подвергаться коррозионному разъеданию, поэтому при эксплуатации машин приходится добавлять к смазочным маслам антиокислительные присадки.

2.4 Наплавка, напыление, электроискровое упрочнение поверхностей трения деталей

Наплавка поверхностей трения деталей

Наплавку применяют в ремонте и в основном производстве. Помимо восстановления размеров изделия, она служит способом повышения стойкости поверхностей деталей, инструмента и рабочих органов машин против абразивного изнашивания, электрохимической коррозии, эрозии, кавитационного разрушения, окалинообразования, термической и контактной усталости. Наплавка как процесс отличается большой гибкостью: непосредственно на рабочей поверхности изделия можно получить сплав с различным сочетанием свойств. Наплавка позволяет заменить в изделии дорогую высоколегированную сталь, которая трудно обрабатывается, обыкновенной углеродистой или низколегированной сталью. Наплавка цветных металлов является важной статьей уменьшения их расхода и упрощает некоторые конструкторские решения.

Наплавка малоуглеродистой стали дает слой невысокой твердости, которую можно повысить путем цементации. Среднеуглеродистую сталь в наплавленном слое можно подвергнуть поверхностной закалке. Эти стали применяют для восстановления размеров шпинделей, валов и осей.

Предварительный нагрев деталей перед наплавкой и замедленное их охлаждение после наплавки усложняют наплавочные работы. Поэтому для упрощения технологии целесообразно производить легирование наплавляемого металла малым количеством хрома, марганца и кремния, а не повышением содержания углерода.

Для износостойких сплавов важна твердость. Высокой твердостью обладают карбиды: чем они тверже и чем больше содержится их в покрытии, тем тверже последнее. Наибольшей износостойкостью обладают железные сплавы, легированные Мn, Сr, W, Тi и др., карбиды которых находятся в структуре в виде твердых включений. Карбиды железа при высоких температурах сравнительно легко распадаются, переходя в раствор.

Наплавленный металл в силу возможного наличия в нем газовых пор, шлаковых включений, трещин и непроваров имеет более низкий предел выносливости, чем катаный либо кованый металл того же химического состава и структуры. У наплавленной детали могут появиться дополнительные недостатки в виде незаполненных кратеров, структурных изменений основного металла и неблагоприятно действующих остаточных напряжений. Опыты В.Т. Горбатюка показали, что при виброконтактной наплавке наиболее слабым местом является начало наплавленного слоя, где образуется кратер с острыми кромками глубиной до 0,6 мм. Сопротивление усталости в зависимости от режима наплавки может снизиться до 25 %. Накатывание оказывает благоприятное упрочняющее действие, но даже в совокупности с подбором оптимальных режимов наплавки оно не позволяет повысить предел выносливости до исходного. Снижение сопротивления усталости должно учитываться при наплавке деталей типа валов.

Металлизация напылением

Процесс металлизации напылением заключается в расплавлении подводимого к металлизатору металла и распылении его струей сжатого воздуха в направлении заранее подготовленной поверхности детали. При металлизации применяют проволоку из стали, меди, цинка, свинца, бронзы, латуни, алюминия и кадмия и порошок из твердых сплавов. В зависимости от источника теплоты для расплавления металла различают газовую, электрическую и плазменную металлизацию.

Имеется большой опыт эксплуатации автотранспортных двигателей, сельскохозяйственных и других машин с металлизированными шейками валов. Для металлизации служит проволока марок У7 до У12, ПК-1, ПК-2, 65Г. Данные лабораторных испытаний на образцах и опыт эксплуатации валов и поршневых пальцев со стальным покрытием, работавших в паре с баббитом, оловянистыми и свинцовистой бронзами, показали, что:

- износостойкость покрытия возрастает с повышением содержания углерода в электродной проволоке;

- соединение может относительно долго работать без заедания после прекращения подачи смазочного материала;

- износостойкость соединения с металлизованной шейкой не ниже, чем у обычного соединения; так, шейки коленчатых валов автомобилей, металлизованные проволокой 65Г, по износостойкости не уступают шейкам, закаленным с нагревом ТВЧ;

- оптимальным для прочности и износостойкости покрытия является режим металлизации, обеспечивающий напыление частицами размером от 0,01 до 0,11 мм.

Электроискровое и электродуговое упрочнение поверхностей

Электрический разряд, в зависимости от его длительности, протекает в импульсной форме -- в виде искры или в стационарной форме, длительно, в виде дуги. Искра -- это высокочастотный разряд между поверхностями электродов длительностью от 10*7 до Ю-2 с последующим полным размыканием цепи между ними. При дуговом разряде между электродами устанавливается постоянное, отличное от нуля, напряжение. Электрический разряд сопровождается сильным нагревом зоны разряда и разрушением поверхностей электродов -- так называемой электрической эрозией.

Дуговой разряд легко возникает при размыкании электрической цепи, содержащей омическое сопротивление, уже при сравнительно низкой разности потенциалов. Температура в зависимости от материала электродов и напряжения может достигать на аноде 3900 °С, на катоде - до 3200 °С, а в канале дуги -- до 6000...7000 °С. Происходит перенос металла с катода на анод. Значительные участки электродов подвергаются высокому нагреву, что при не перемещающейся дуге вызывает расплавление относительно большого объема металлического электрода. Если в цепь включить емкость, то при сближении электродов почти до их соприкосновения или при размыкании цепи образуется искровой разряд с изменением полярности электродов. Через разряд, воздействие которого ограничено малой поверхностью электродов, устремляется в зазор почти мгновенно вся энергия, запасенная в конденсаторе, в результате чего возникает импульсный ток большой плотности при высокой концентрации теплоты. Локальная температура на катоде составляет 8 000... 10 000 °С, на аноде 3 000...4 000°С.

Электроэрозии подвергаются анод и катод с преимущественным разрушением анода. Использование импульсного разряда для планомерного ограниченного разрушения металла лежит в основе электроискровой обработки, при которой заготовка включается в контур электрической цепи к аноду, а электрод-инструмент -- к катоду. Для предупреждения нежелательного перехода искрового разряда в дуговой в электрический контур включают емкость параллельно электродам и повышают соотношение между емкостью и силой тока.

Другим направлением электроискровой обработки является упрочнение поверхностей для увеличения их износостойкости, которое производят при обратной полярности.

Механизм упрочнения отличается значительной сложностью, представляя собой совокупность эрозионного, термического и термохимического процессов и контактного переноса материала. При проскакивании искры частицы материала вырываются с поверхности детали и выбрасываются в окружающую среду при одновременном переносе с большой интенсивностью материала с анода на катод.

Высокие тепловые импульсы на небольших участках поверхности детали вызывают высокий их нагрев и при наличии окружающего холодного металла последующее охлаждение этих участков со скоростью 10 000.,. 100 000 °С/с и, как следствие, сверхскоростную закалку с образованием белого слоя. Под термическим воздействием формируется подслой. Электрод, контактируя под давлением с упрочняемой поверхностью, переносит металл на нее. Диссоциируемый в разряде и переходящий в атомарное состояние атмосферный азот вступает в соединение с железом и переносимыми на поверхность легирующими элементами. Эти элементы и азот под тепловым воздействием искры диффундируют в глубь материала.

Для упрочняющих электродов применяют твердые сплавы Т15К6, Т30К4 и Т60К6, составляющими которых являются карбиды титана и вольфрама и кобальт, феррохром (80 % Сг, 5 % С), хром-марганец, чистый хром, чистый алюминий, белый чугун, сталь 3 и углеграфит. Графит в качестве электрода цементирует поверхностный слой. Верхний, белый, слой упрочненной поверхности состоит из аустенита и мартенсита, нитридов железа и густо вкрапленных в зерна и расположенных по их границам нитридов и карбидов легирующих элементов. Концентрация легирующих элементов в упрочненном слое снижается в глубь этой поверхности и особенно быстро в подслое.

Упрочнение производится вблизи рабочих кромок по всей поверхности изнашивающихся граней либо только лентой шириной 3...5 мм.

Упрочненный слой малой толщины (порядка 0,1 мм) на конструкционной углеродистой стали или чугуне может легко продавиться. Для увеличения глубины упрочнения И.И. Кичкиным был предложен комбинированный искродуговой способ, названный термоискровым. Сущность метода состоит в том, что нанесенный обычным электроискровым способом при помощи твердосплавного электрода слой подвергают кратковременному воздействию дуги, получаемой на той же установке при отключенной электрической емкости. При второй операции под белым слоем образуется слой толщиной 1,5...2 мм со снижающейся от НУ 1000 до НУ 500 твердостью, в котором наблюдается постепенный переход от мартенсита к игольчатому трооститу. Шероховатость поверхности после комбинированного упрочнения примерно такая же, как после обычной наплавки.

Электроискровое упрочнение получило также применение для восстановления и упрочнения посадочных мест ступиц автомобильных колес, коленчатых валов и валов трансмиссий автомобилей и тракторов, чашек дифференциалов, букс локомотивов, деталей угольных комбайнов и т.д. В качестве электродов используют сплав Т15К6 (толщина нарощенного слоя 0,1 мм) и углеродистый феррохром (толщина слоя 0,15...0,20 мм).

В итоге отметим, что электроискровое упрочнение не требует ни предварительного нагрева деталей, ни последующей их термообработки; не вызывает коробления; обеспечивает при соответствующей технологии шероховатость поверхности от Ка = 10...0,63 мкм; упрочненный слой обладает высокой износостойкостью, а при достаточной толщине и соответствующем подборе электродов высокой разгаро- и жаростойкостью. Наклепыванием бойком или дробью можно ликвидировать неблагоприятное влияние электроискрового упрочнения на сопротивление усталости.



3. Триботехника при эксплуатации машин

3.1 Изменение свойств смазки в процессе эксплуатации

Эксплуатационные свойства смазочных масел

Эксплуатационные свойства смазочных масел характеризуют поведение масла в условиях службы. Для улучшения эксплуатационных качеств минеральных масел применяют специальные добавки к ним, именуемые присадками. Присадки к маслам должны в них хорошо растворяться, не выпадать в виде осадка, не задерживаться в фильтрах масляной системы. По целевому назначению присадки бывают:

1) антифрикционные - для стабилизации трения или снижения его в условиях граничного трения;

2) противоизносные -- для предупреждения схватывания поверхностей в условиях умеренных нагрузок и температур;

3) противозадирные - для предотвращения и смягчения процесса заедания поверхностей;

4) вязкостные - для улучшения вязкостно-температурной характеристики масел;

5) депрессорные - для снижения температуры застывания масел;

6) противоокислительные (ингибиторы)-для замедления процесса окисления масла кислородом воздуха; их применение уменьшает лакообразование и снижает корродирующие свойства масел;

...