книги из ГПНТБ / Ермолов, Л. С. Основы надежности сельскохозяйственной техники учебное пособие

Г л а в а 111

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ НАДЕЖНОСТИ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ

§ 1. Причины потери работоспособности машин и оборудования

При эксплуатации, а также в период хранения в машинах и оборудовании непрерывно протекают процессы, которые предопределяют не только снижение, но и потерю их рабо­ тоспособности.

Наиболее частые причины отказов и как следствие потери работоспособности следующие: разрушение деталей из-за усталостных явлений и снижения прочности; изменение размеров, формы и взаиморасположения деталей вследствие

под действием коррозии и старения материалов, снижение работоспособности деталей и сопряжений вследствие совмест­ ного влияния внешних нагрузок, износных явлений и дей­ ствия химически активных сред.

Кроме того, в машинах часто возникают отказы и вслед­ ствие нарушения регулировок (клапанный механизм двига­ теля, зацепление в главной передаче трактора, молотильные устройства комбайна и т. д.), а также вследствие нарушения креплений отдельных деталей и целых агрегатов (ослабле­ ние креплений лопастей вентилятора, головки блока, дви­ гателя и др.).

При усталостном разрушении, являющемся результатом действия динамических нагрузок, максимальная нагрузка меньше, чем при статическом разрушении. Характерным для

служит образование трудно обнаруживаемых микроскопи­ ческих трещин.

61

Рис. 16. Динамика процесса изнашивания:

а — общие закономерности изнашивания; 1, 2, 3 — соответственно абсолют­ ный износ И, скорость v и ускорение изнашивания аи; /пр — время приработки,

и — время нормального изнашивания; /а и — время аварийного изнашива­

ния; б — примерный характер: 1 и 2 — изменения числа т и интенсивности отказов %\ 3 — расходов на техническое обслуживание и ремонт Р.

большинства механизмов основана на относительном пере­ мещении сопряженных поверхностей деталей, сопровождае­ мая их внешним трением и износом.

Внешнее трение полезно, когда оно используется для передачи движения или торможения, но гораздо чаще оно вредно, так как ведет к излишней затрате энергии и влечет за собой износ деталей машин. Износ же деталей оказывает решающее влияние на долговечность и эксплуатационную надежность машин и оборудования.

В общем виде динамика процессов изнашивания деталей подвижных сопряжений может быть представлена кривой с тремя участками, характеризующими три периода

(рис. 16, а).

В первый период — период приработки tnp сопряжение как бы приспосабливается к условиям нагружения, прояв­ ляются скрытые и явные дефекты деталей в виде приработоч-

62

ных отказов. Интенсивность изнашивания в этом периоде постепенно снижается.

Во втором периоде — периоде нормального изнашивания tBn скорость износов практически постоянна или медленно возрастает, а поток отказов устанавливается на каком-то постоянном уровне. Этот период составляет наибольшую часть времени работы сопряжения, и окончание его должно определить конец нормальной эксплуатации и начало восста­ новительных работ.

В третьем периоде — периоде аварийного износа ta K происходит качественный скачок в состоянии сопряжения, выраженный повышением интенсивности изнашивания и резким возрастанием потока отказов.

Используя экспериментальные кривые абсолютного износа и зная предельно допустимое его значение, можно прогнозировать продолжительность периода нормального износа, а следовательно, и время вывода сопряжения для восстановительных работ или замены деталей.

На рисунке 16, б показано распределение отказов и за­ трат на профилактические работы за время эксплуатации сопряжения.

Коррозионное повреждение и разрушение поверхностей— весьма распространенная причина выхода из строя деталей и рабочих органов машины и оборудования. Практически все образцы сельскохозяйственной техники, находящейся в эксплуатации и на хранении, подвержены коррозионному

материала, мало зависит от условий эксплуатации, однако оно приводит к потере работоспособности машин и обору­ дования.

Как правило, детали, подверженные нагружению тре­ нием, одновременно воспринимают внешние нагрузки, дей­ ствие химически активных сред, материал их подвержен старению как в целом объеме, так и в поверхностных слоях,

апоэтому они чаще всего приводят к отказам в машине,

кпотере ею работоспособности.

Некоторые детали в процессе, работы, не изменяя своих форм и размеров заготовки, теряют работоспособность вслед­ ствие потери приданных им служебных свойств. Так, теряют работоспособность пружины вследствие потери упру­ гости и др.

63

§ 2. Изменения в деталях машин при нагружении их трением

Общие сведения о трении. В современных машинах можно выделить две группы деталей, резко отличающиеся по условиям изнашивания при внешнем трении *. Детали первой группы изнашиваются при взаимном трении в сопря­ жениях, второй — при трении о перерабатываемый или обра­ батываемый материал (среду). Смазка — основное средство уменьшения трения и износа подвижных сопряжений дета­ лей первой группы.

В основе внешнего трения деталей машин лежит взаимо­ действие их поверхностей, т. е. образование поверхностных связей, их работа и разрушение. Это взаимодействие приво­ дит к упругопластической деформации поверхностных слоев трущихся деталей, которая, в свою очередь, способствует возникновению и развитию вторичных физических, хими­ ческих и механических процессов. Основная характерис­ тика внешнего трения — сила трения (сила сопротивления относительному перемещению двух тел при трении).

В ме х а н и ч е с к о й теории трения**взаимодействие поверхностей при трении объясняется результатом механи­ ческого зацепления или внедрения шероховатостей трущих­ ся поверхностей и сила трения определяется по уравнению

где F — сила трения, Н;

f — коэффициент трения; N — нормальная сила, Н.

Ш. Кулон впервые указал на двойственную природу

где А — величина, учитывающая сопротивление от сцепляемости поверхностей трения.

С о г л а с н о а т о м н о - м о л е к у л я р н о й т е о ­

в СССР были выделены в единую проблему в 1938 г. Е. А. Чудаковым. —

64

молекулярного притяжения между трущимися поверхно­ стями и определяется по формуле

поверхностных связей служит одновременное действие атомно-молекулярных сил и механического зацепления шероховатостей трущихся поверхностей. Сила трения опре­ деляется по уравнению

ний. Ее содержание является синтезом соответствующих разделов механики, физики и химии.

ским. — Прим, автора.

** Разработана: Н. П. Петровым, Н. Е. Жуковским, С, А. Чаплы­ гиным, Е. М. Гутьяром и др. — Прим, автора.

Сила внешнего трения твердых тел имеет тройственную механо-физико-химическую природу и ее можно определить по формуле:

относятся к механической природе, третья учитывает физи­ ческую природу силы трения, а коэффициенты—химическую.

Таким образом, сложные явления трения и изнашивания следует рассматривать с учетом механических, физических и химических процессов, происходящих на атомно-молеку­ лярном уровне в поверхностных слоях деталей при нагруже­ нии их трением.

Сложность изучения процессов внешнего трения твердых тел заключается не только в том, что приходится рассматривать комплекс механических, физических и химических процессов, но и в необходи­ мости сочетать макроскопическое представление о геометрии, проч­ ности и пластичности трущихся поверхностных слоев с микроскопичес­ кими и субмикроскопическими представлениями об атомных механиз­ мах адгезии (сцепление), дислокационных механизмах деформации, диффузии и др.

Важнейшее значение для развития науки о внешнем трении имеют работы основоположников физико-химической механики академика П. А. Ребиндера и его сотрудников. В 1928 г. П. А. Ребиндер открыл эффект адсорбционного понижения прочности твердых тел, заключаю­ щийся в том, что поверхностно-активные вещества, взаимодействуя с твердым телом, могут снизить прочность его во много раз и изменить характер деформирования тонкого поверхностного слоя.

Многогранны исследования металлофизиков Л. С. Палатника и И. М. Любарского, которые, изучая кинетику структурных и фазовых превращений, протекающих в локальных объемах при трении твердых тел, показали, что в результате микродиффузионных процессов про­ исходит перераспределение состава твердых тел, наблюдаются флуктуа­ ции температуры. В ряде случаев весь этот комплекс процессов при­ водит к возникновению на поверхности трения тонкого аустенизированного слоя. Этот слой характеризуется высокой работоспособностью при значительных пластических деформациях и обеспечивает повы­ шенную износостойкость.

66

профессором Б. И. Костецким успешно применена теория дислокаций. Им была раскрыта единая причина окисления и схватывания при тре­ нии — активация металла поверхностных слоев, обусловленная раз­ витием несовершенств кристаллического строения при пластической деформации.

Характеристики внешнего трения и износов деталей ма­ шин и оборудования непосредственно связаны с качеством трущихся поверхностей.

Качество поверхности деталей машин определяется их формой, волнистостью, степенью шероховатости, твердостью, теплостойкостью, химической стойкостью, напряженным состоянием и др.

Г е о м е т р и я п о в е р х н о с т и . Оценка геомет­ рических параметров поверхностей деталей машин должна включать характеристики макрогеометрии, микрогеометрии и субмикрогеометрии с учетом природыих образования, т. е. с разделением на составляющие, связанные с механи­ ческой обработкой, внутренним строением и нагружением при эксплуатации.

Образование микронеровностей при механической обра­ ботке обусловлено взаимодействием инструмента с деталью —• снятием стружки. Различают продольную и поперечную шероховатость с учетом направления следов обработки. Фотография, интерферограмма и профилограмма типичного микрорельефа поверхности показаны на рисунке 17.

/V-

Рис. 17. Поверхность стали, образованная шлифованием:

а — фотография, б — интерферограмма; в — профилограмма.

Рис. 18. Структура поверхности при нормальных условиях трения:

а — электронная фотография; б — интерферограмма; в — профило­ грамма.

Качество поверхности, обусловленное технологией обра­ ботки, имеет большое значение только для начала работы трущихся сопряжений и сохранения посадок при эксплуа­ тации. В дальнейшем технологический рельеф быстро ис­ чезает.

Формирование рабочего рельефа, возникающего при тре­ нии в условиях эксплуатации, связано с протеканием про­ цесса текстурирования поверхностных объемов под дейст­ вием нормальных и тангенциальных напряжений и процесса разрушения тонких поверхностных слоев. Электронная фотография, интерферограмма и профилограмма поверх­ ности металла, работавшего при нормальных условиях трения, показаны на рисунке 18.

Сравнение представленных данных (рис. 17 и 18) показы­ вает на значительное различие технологических поверхнос­ тей деталей и рабочих поверхностей, образующихся в про­ цессе эксплуатации деталей.

Ф и з и к о - х и м и к о - м е х а н и ч е с к и е с в о й ­ с т в а и н а п р я ж е н н о е с о с т о я н и е п о в е р х ­ н о с т н ы х с л о е в . Эти слои, толщина которых нахо­ дится в пределах от десятков.ангстрем до сотых и десятых долей миллиметра, характеризуются, как правило, иной структурой и свойствами, чем основной материал детали, что обусловлено тремя основными причинами:

68

1)особым состоянием атомов поверхности, следствием чего служит появление свободной поверхностной энергии и большая адсорбционная активность;

2)суммой механических, тепловых и физико-химиче­ ских воздействий на поверхность металла при предвари­ тельных и окончательных операциях технологической обра­ ботки;

3)повторными (циклическими) механическими и физико­ химическими воздействиями на поверхность при нагруже­ нии трением в процессе эксплуатации.

Получение того или иного качества поверхности деталей при технологических операциях и нагружении трением определяется в самом общем случае тремя факторами:

1)структурными особенностями твердых тел;

2)особенностями условий на границе твердого тела;

3)условиями формирования поверхностей при изготов­ лении и эксплуатации.

Структурные особенности твердых тел хорошо рассмот­ рены в теории дислокаций, согласно которой каждое крис­ таллическое тело характеризуется определенным типом дислокаций и их плотностью.

Реальные поверхности кристаллического тела пред­ ставляют собой сложную систему блоков, фрагментов зерен и выходов отдельных групп дислокаций. Дислока­

ступов.

Поверхность идеального кристаллического тела может иметь только атомную или молекулярную шероховатость. Поверхность реального тела всегда имеет шероховатость, обусловленную несовершенным и случайным расположе­ нием кристаллических плоскостей. Эту шероховатость назы­ вают тонким рельефом или субмикрорельефом.

В процессе деформирования поликристаллических твер­ дых тел, какими являются детали машин, взаимные переме­ щения могут происходить по границам блоков и зерен. При этом наряду с субмикрорельефом образуется своеобразный микрорельеф, имеющий высоту неровностей на несколько порядков большую, чем у субмикрорельефа.

Иллюстрацией «свободного» развития поверхности может служить образование «физического» рельефа при простом растяжении металлического образца (рис. 19): На полиро­ ванной поверхности отожженного металла возникают линии скольжения (рис. 19, а), разориентировка границ зерен

69