2361

ностей (шероховатости) от волнистости можно установить по шагу неровности и отношению шага к высоте неровностей. Появление волнистости связано с неравномерностью подач и вибрацией станка, изделия и инструмента. Процесс образования микронеровностей обусловлен взаимодействием режущего инструмента с обрабатываемым изделием – снятием стружки. Различают продольную (в направлении движения резца) и поперечную (перпендикулярную к движению резца) шероховатости.

Величина микронеровностей при обработке режущим инструментом зависит от режима резания (подачи и скорости), механических свойств обрабатываемых материалов, геометрической формы режущего инструмента, жесткости системы «станок – изделие – инструмент». На основании исследований геометрических характеристик поверхности после технологической обработки создана классификация качества поверхности по классам чистоты (ГОСТ 2789-59, ГОСТ

2940-63).

Субмикрогеометрия характеризует вид неровностей, механизм возникновения которых связан с внутренним строением металла и несовершенствами его тонкой структуры. Субмикроскопический рельеф рассматривается на участках поверхности от одного до нескольких микрометров.

Объективная оценка геометрических параметров поверхностей деталей машин должна включать характеристики макро-, микро- и субмикрогеометрии с учетом природы и механизмов образования геометрических несовершенств, т. е. с разделением на составляющие, связанные с механической обработкой, внутренним строением и нагружением при эксплуатации. От качества поверхности, обусловленного технологией обработки, зависят условия последующей эксплуатации поверхностей деталей машин, работающих при воздействии знакопеременных нагрузок, коррозионных сред, переменных температурных полей и других факторов, а также сохранение между сопряженными деталями заданных посадок в процессе эксплуатации.

Для деталей, работающих в узлах трения, технологический рельеф имеет значение только для начальной работы трущихся сопряжений (периода приработки). Попытки использования характеристик технологического рельефа для изучения общих закономерностей трения, смазки и износа не дали удовлетворительных результатов, так как роль технологического рельефа в процессах трения и изнашивания существенно ограничивается тем обстоятельством, что в эксплуатации технологический рельеф быстро исчезает. Геометрические

50

параметры поверхности под воздействием пластической деформации в результате возникновения вторичных структур и разрушения поверхностей при трении коренным образом изменяются. Образуется новая топография поверхности, не имеющая ничего общего с исходной. Кроме того, характеристики технологического рельефа отражают только макроскопическую сторону явлений.

При нормальных условиях эксплуатации и установившемся процессе динамического равновесия возникновения и разрушения тонких пленок вторичных структур топография поверхности трения характеризуется микроскопическим и тонким субмикроскопическим рельефом. Характеристики субмикроскопического рельефа, образующегося при трении, являлись теми не учитывающимися факторами, без которых невозможно достаточно объективное и полное понимание процессов трения, смазки и изнашивания. Идея о физическом или рабочем рельефе, главной характеристикой которого является субмикрорельеф, положена в основу оценки качества поверхностей при эксплуатации. Кроме геометрических характеристик, качество поверхности деталей машин определяется механическими, физическими и химическими свойствами тонких поверхностных слоев и их напряженным состоянием. Эти слои характеризуются, как правило, структурой, отличной от основного материала изделия, что обусловлено тремя основными причинами:

а) особым состоянием атомов поверхности, следствием чего является наличие свободной поверхностной энергии и большая адсорбционная активность;

б) суммой механических, тепловых и физико-химических воздействий на поверхность металла при окончательных и предварительных операциях технологической обработки;

в) повторными (циклическими) механическими, тепловыми и физико-химическими воздействиями на поверхность при нагружении трением и другими видами воздействий при эксплуатации. В процессе технологической обработки деталей резанием, шлифованием и другими методами происходит весьма интенсивная пластическая деформация металла. В его локальных объемах возникают высокие температуры, поверхность металла испытывает физико-химическое воздействие рабочих сред, СОЖ, кислорода воздуха. В таких условиях поверхностные слои обрабатываемого металла на глубине от долей до десятков микрометров резко изменяют свои свойства. Применение различных специальных методов окончательной обработки поверхно-

51

стей деталей позволяет изменять их физико-химические и механические свойства в нужном направлении.

Условия физико-химико-механического взаимодействия при технологической обработке и при эксплуатации, особенно при трении, принципиально различны. Отличаются они, главным образом, спецификой механического контакта. Механические условия формирования поверхности характеризуются, в первую очередь, эпюрой напряжений в поверхностном слое. Важным следствием механического нагружения является нагрев. В зависимости от механики контакта проявление роли структуры и адсорбции при формировании поверхности глубоко специфично. В общем случае формирование рельефа и качества поверхности определяется суммой механических, тепловых и физико-химических воздействий на поверхность металла. Из-за существенного различия этих воздействий при технологической обработке и при нагружения трением возникают принципиально различные вторичные структуры и типы рельефов – технологический и эксплуатационный.

Оптимальный технологический рельеф отвечает следующим требованиям:

а) эпюра напряжения должна обеспечить образование новых поверхностей при максимальном разрушении и равномерном упрочнении поверхностного слоя;

б) условия среды должны обеспечить снижение поверхностной энергии, облегчение выхода дислокаций на поверхность, пластифицирование и локализацию деформаций в тонких поверхностных слоях;

в) структурное состояние поверхностного слоя после обработки должно характеризоваться однородностью при минимальной плотности несовершенств внутреннего строения или при их равномерном распределении.

Оптимальный эксплуатационный рельеф:

а) структурное состояние должно обеспечить образование однородного текстурированного слоя ультрадисперсного строения минимальной толщины;

б) поверхность должна быть достаточно активизирована для протекания явления структурной приспособляемости, устойчивость которого во время трения обусловливается динамическим равновесием процессов образования и разрушения вторичных структур; а также для образования эпитаксиального граничного слоя смазки;

52

в) эпюра напряжений должна соответствовать максимально возможной деконцентрации внешнего нагружения поверхности металла, обеспечивающей равномерность образования текстур и минимальное разрушение пленок окислов.

Получение оптимального эксплуатационного рельефа и формирование рабочего состояния поверхностного слоя в целом связано с исходным технологическим рельефом и состоянием поверхностного слоя.

6.3.Конструкционные методы повышения надежности

идолговечности машин

При разработке схем важнейшими, с точки зрения надежности и долговечности, являются требования простоты и рациональной компоновки основных узлов, технологичности и ремонтопригодности конструкции. Разрабатываемая конструкция должна отвечать требованиям технической эстетики и быть удобной в эксплуатации.

При разработке мероприятий по обеспечению прочности необходимо иметь в виду, что эта проблема имеет два аспекта: объемный и поверхностный.

Вопросы объемной прочности разработаны достаточно полно. Изучены физические механизмы процессов хрупкого, вязкого, усталостного разрушения и ползучести, предложены инженерные методы расчета деталей машин на прочность.

Однако обеспечение объемной прочности не гарантирует поверхностную прочность деталей. Физические механизмы процессов поверхностного разрушения деталей машин при изнашивании, эрозии и коррозии коренным образом отличаются от объемных. Это вызывает основные трудности при выборе материалов и их сочетаний в узлах машин.

6.4.Технологические средства повышения долговечности

иэксплуатационной надежности машин

Впроцессах изнашивания, усталостного, коррозионногo, эрозионного и кавитационного разрушений важную роль играют состояние

исвойства тонкого поверхностного слоя деталей машин, от которых зависит характер образующихся вторичных структур и развитие явле-

53

ния структурной приспособляемости материалов в процессе эксплуатации. Формирование этого слоя происходит при окончательной обработке деталей. В настоящее время разработано много способов изменения состояния, структуры и свойств тонкого поверхностного слоя деталей машин. Применение их с учетом конкретных условий работы позволяет формировать поверхностный слой деталей с наперед заданными свойствами, в результате чего значительно повышается надежность и долговечность машин.

Прочность, износостойкость, стойкость против усталости и коррозии и другие свойства деталей машин, обусловливающие определенный уровень долговечности и эксплуатационной надежности машин в целом, зависят не только от химического состава сплавов, применяемых для изготовления деталей, но в большей мере от технологии производства этих сплавов, изготовления заготовок и окончательной обработки деталей. Физико-механические свойства металла в первую очередь определяются факторами, связанными с процессом изготовления этого металла. Технология каждого способа плавки стали имеет свои особенности. Поэтому структура стали, наличие различных дефектов в ней, а также наличие вредных примесей, их природа и качество зависят от способа плавки.

В машиностроении применяют стали, полученные при различных способах плавок (в конвертерах, мартеновских печах, электропечах), а также стали, подверженные различным видам вторичной переплавки (электрошлаковой, вакуумно-дуговой и вакуумно-индукционной). Среди них наиболее высокими эксплуатационными свойствами обладают стали, подверженные вторичной переплавке, и, особенно, вакуумной, главным образом потому, что они содержат значительно меньшее количество растворенного кислорода, азота, водорода, продуктов взаимодействия этих газов с компонентами стали и неметаллических включений, отрицательно влияющих на физикомеханические ее свойства. Свойства сталей и сплавов зависят от процессов раскисления, разливки и условий кристаллизации металла в изложницах. От этих процессов зависят качество слитков и возможность появления дефектов в них. К дефектам слитка следует отнести: дендритную или зональную ликвацию (химическая неоднородность); усадочную рыхлость, центральную или общую пористость, газовые пузыри, межкристаллитные трещины (паучки); внутренние разрывы, трещины, равнины; неметаллические включения; шиферность и флокены в изломе; поверхностные дефекты (волосовины, завороты, плены, заливы, раковины и т. д.).

54

Наиболее распространенными способами производства заготовок деталей машин являются литье и обработка металлов давлением.

Физико-механические свойства металла заготовок при литье зависят, главным образом, от условий и скорости кристаллизации металла в форме, наличия модификаторов в металле, состава окружающей газовой среды. Вакуумирование металла при плавке и разливке его в формы значительно улучшает свойства получаемых заготовок.

Расположение волокон в заготовках должно в известной степени повторять конфигурацию изделия и не перерезываться стенками детали. Таким образом, при ковке или горячей штамповке для обеспечения высоких свойств металла деталей следует стремиться получить такое расположение волокон, чтобы возникающие при эксплуатации напряжения совпадали с направлениями, в которых металл обладает максимальными прочностными свойствами. Это может быть достигнуто при правильном проектировании технологии горячей обработки металлов давлением с учетом последующей механической обработки.

Особенно чувствительными к направлению волокон в деталях являются ударная вязкость, относительное удлинение, относительное сужение, усталостная прочность, истинное сопротивление отрыву. Предел прочности, предел текучести и твердость практически изотропны. Степень анизотропности зависит также от способа выплавки металла. Например, анизотропность механических свойств основной электростали почти в два раза меньше, чем основной мартеновской стали. Есть основания предполагать, что наименьшей анизотропностью обладают стали, полученные с помощью вакуумной плавки, а наибольшей анизотропностью (до 60 %) – закаленные инструментальные стали, отличающиеся наличием карбидной полосчатости.

Опыт производства и эксплуатации машин показал, что в значительной степени долговечность и эксплуатационная надежность зависят от состояния и физико-механических свойств тончайших поверхностных слоев деталей, где зарождаются и развиваются процессы износа и повреждаемости усталостного и коррозионного разрушения. В связи с этим чрезвычайно важное значение приобретает окончательная обработка деталей, в результате которой формируется поверхностный слой деталей машин. В настоящее время разработано много технологических методов, позволяющих изменять строение и свойства поверхностных слоев металла в нужном направлении или создавать слои с заданными свойствами. Применение этих методов позволяет повышать износостойкость, стойкость против усталости и коррозии и другие эксплуатационные свойства деталей.

55

6.5.Эксплуатационные средства повышения надежности

идолговечности машин

Надежность машин в эксплуатации может быть обеспечена в результате решения двух основных задач: первая состоит в выборе допустимых для данной системы характеристик нагружения и среды; вторая – в назначении оптимальных регламентов эксплуатации и в достижении высокого качества технического обслуживания и ремонта. Часто первая задача предусматривает выбор оптимального типоразмера машины, обеспечивающего требуемые показатели надежности при заданных характеристиках нагружения и среды (повторности включений и выключений, характера изменения нагрузки, динамических характеристик привода и технологического процесса, температуры, агрессивности среды, наличия абразивов и т. п.). Эффективность решения этой задачи зависит от степени достоверности методов прогнозирования надежности при переменных воздействиях и совершенства методов и средств технической диагностики в процессе эксплуатации. Вторая задача включает выбор оптимальной системы обслуживания, в частности, технических уходов, ремонтов, транспортирования и хранения; разработку системы контроля, технической диагностики, сбора и обработки информации о качестве функционирования изделий в процессе эксплуатации; принятие оптимальных с точки зрения технико-экономических критериев различных этапов эксплуатации машин; повышение качества машин при восстановлении.

6.6. Пути повышения надежности машин при эксплуатации

В эксплуатации машин различают два этапа – до и после капитального ремонта. Различная прочность элементов современных машин вызывает большие трудности при оптимальном планировании технических уходов и ремонтов и часто приводит к преждевременным капитальным ремонтам.

Система планово-предупредительного обслуживания состоит из технического обслуживания, профилактических и очередных ремонтов. Применяемые формы организации обслуживания могут быть классифицированы по ряду признаков. По организационному признаку обслуживание бывает индивидуальным, выполняемым оператором машины, и специализированным – с применением специального обо-

56

рудования. Специализированная форма может быть функциональной (обслуживание однотипных машин узлов) и технологической (выполнение смазки или заправки); а территориальная – функциональной и технологической. Стандартная система обслуживания предусматривает проведение всех работ в жестко установленные сроки, независимо от технического состояния оборудования. Применение этой системы оправдано в тех случаях, когда основным показателем надежности является безотказность (авиация, сантехника, сложные системы и т. п.). В массовом производстве стандартная система применима, например, для процессов смены инструмента, замены смазочных материалов.

Планово-предупредительная система технического обслуживания является наиболее гибкой и объединяет жесткое планирование и работы по восстановлению, зависящие от технического состояния машины. В этой системе чрезвычайную роль играет наличие и уровень технической диагностики состояния машины, а также системы сбора и обработки информации о качестве ее функционирования.

Обкатка новой или восстановленной машины предусматривает работу в специальных условиях нагружения и среды по заданной программе и проведение специальных операций технического обслуживания. Этот период эксплуатации машин является весьма ответственным и от него в значительной мере зависит надежность и долговечность машины в реальных условиях эксплуатации. В процессе обкатки машин должно быть достигнуто состояние приспособляемости материалов при отсутствии любых видов повреждаемости.

Технический уход является основной профилактической процедурой и состоит в выполнении операций, необходимых для сохранения состояния технической готовности изделий. Технический уход может быть ежесменным, периодическим и сезонным. Разработка оптимальных сроков проведения технического ухода для определенного класса изделий может быть выполнена на базе данных о функционировании и надежности рассматриваемых изделий. Плановый ремонт может быть двух видов: текущий и капитальный, в зависимости от наработки изделия и объема работ по его восстановлению. Качество и трудоемкость ремонтов в значительной степени зависят от ремонтопригодности изделий, заложенной уже при их конструировании. Проектирование машин с учетом ремонтопригодности является одним из значительных резервов повышения надежности и долговечности.

57

6.7. Роль смазочных материалов при трении и износе

Знания о структурной приспособляемости материалов при трении показывают первостепенную роль среды в расширении диапазона и оптимизации параметров этого явления. Одним из наиболее эффективных средств практического использования среды для управления надежностью является применение смазочных материалов. При этом возникают два принципиально различных подхода: I – обеспечение безызносности контактирующих деталей за счет замены внешнего трения твердых тел внутренним трением в жидкости или газе, находящимися между контактирующими поверхностями; II–обеспечение эффекта структурной приспособляемости материалов и его оптимизация. В данном учебном пособии рассматривается лишь I подход, т. к. он является основным.

Первый подход включает две группы методов, реализующих создание газогидростатического слоя в зоне контактирования и условий возникновения гидродинамического клина между сопрягаемыми поверхностями. Первая группа связана с использованием внешних устройств, создающих высокое давление и герметизацию подвижного сопряжения и представляет внешнее регулирование. Ко второй группе относятся наиболее распространенные в технике методы создания саморегулируемого гидродинамического клина смазки в процессе взаимного перемещения контактирующих поверхностей. Этот клин обладает достаточной несущей способностью для обеспечения зазора между поверхностями и предотвращения внешнего трения твердых тел. При этом достигается эффект безызносности, реализуемый при заданных скоростных режимах относительного перемещения. Износ имеет место только при пусках и остановках, когда этот режим нарушается.

В основе гидродинамической смазки лежат процессы воспроизведения параметров движения, при которых возможно выполнение гидродинамических условий существования жидкости как сплошной среды. Последние определяются геометрией сопряженных поверхностей, обусловливающей тензор перемещений и скоростей в масляном слое, и вязкостью, определяющей прочность жидкости (смазки). Процесс внутреннего трения в жидкости сопровождается выделением тепла, что приводит к понижению ее вязкости. Таким образом, для гидродинамического трения основными характеристиками смазки являются вязкость и ее температурные характеристики.

58

Использование гидродинамических эффектов не всегда реализуемо в практике. Например, жидкая смазка может быть недопустима при ограничениях технологического процесса (объекты металлургической, пищевой и легкой промышленности, вакуумные и космические системы). В некоторых случаях образование масляного клина затруднено из-за неблагоприятных геометрических и кинематических параметров подвижного сопряжения (низкоскоростные сопряжения, сопряжения с неблагоприятным направлением вектора скорости перемещения по отношению к контактным линиям). В этом случае в процессе трения должны непрерывно создаваться разделительные вторичные структуры, экранирующие непосредственное взаимодействие твердых тел. Первым видом вторичных структур являются граничные слои смазки, адсорбированные на металлической поверхности, активированной трением. Другие виды вторичных структур связаны с превращениями металла.

Наиболее типичным видом вторичных структур трансформированного металла являются его соединения с кислородом. При трении несмазанных поверхностей продукты реакции представляют структуры, близкие по стехиометрическому составу к окислам соответствующих металлов и примесей (2-й тип структур); при трении в присутствии граничных слоев смазки – это ненасыщенные растворы кислорода и эвтектик окислов основного металла и примесей в основном металле (3-й тип структур). При образовании этих структур вследствие диффузии примесей к поверхности раздела металл-пленка вторичных структур, как правило, происходит уменьшение концентрации примесей в нижележащих слоях. При соответствующем составе жидкой и газовой среды вторичные структуры могут представлять также гетерогенные фазы металла и различных (главным образом электроотрицательных) элементов (4-й тип структур). Наиболее типичными из этих элементов являются сера, хлор, фосфор, углерод и др. Кинетика образования 4-го типа структур также может быть связана с влиянием кислорода. В одних случаях кислород является обязательным условием взаимодействия химически активных присадок с металлом, в других – оказывает незначительное влияние на кинетику протекания реакций.

Состав и кинетика образования структур 2-го, 3-го и 4-го типов зависят от химического сродства, способности к образованию твердых растворов, концентрации (скорости поступления) активных элементов среды в зону трения, а также от структурного состояния металла, определяемого параметрами исходной структуры и изменением

59