книги из ГПНТБ / Стандартизация и качество машин учеб. пособие

может происходить при трении о монолитный (закрепленный) абра­ зив. При этом на поверхностный слой действуют при скольжении жестко закрепленные куски абразивного материала или твердые частицы. При механическом воздействии возможно значительное упрочнение поверхностного слоя и разупрочнение в результате на­ грева или физико-химического действия жидкой среды, если она вводится для охлаждения, промывки и других целей. Такой тип из­ нашивания имеет место у ковшей экскаваторов, рештаков -скребко­ вых конвейеров, горного инструмента или у других подобных ма­ шин.

В тех случаях, когда изнашивание происходит при перемещении детали в абразивной массе, механическое воздействие осуществляет­ ся твердыми частицами, связанными либо не связанными между собой. В этом случае также возможно как упрочнение, так и разру­ шение поверхностных слоев (рабочие органы почвообрабатываю­ щих орудий, инструмент дорожных и строительных машин, ковши экскаваторов и канавокопателей).

Изнашивание вследствие трения скольжения или качения при наличии абразивных частиц происходит у шарнирных соединений цепей сельскохозяйственных машин, у открытых подшипников

хода тракторов, экскаваторов, у зубьев звездочек и звеньев откры­ тых цепных передач и у других подобных механизмов.

Г и д р о а б р а з и в н о е и г а з о а б р а з и в н о е изнашивание наблюдается в результате воздействия твердых частиц или частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа. Механическое действие осуществляется твердыми частицами в условиях разупрочняющего действия жидкой среды. Характер разрушения и его интенсивность зависят от направления вектора скорости движущихся частиц по отношению к поверхности детали. Гидроабразивному и газоабразив­ ному изнашиванию подвергаются детали шлаковых и песковых на­ сосов центробежного типа, сопла пескоструйных аппаратов, распы­ ляющие наконечники сельскохозяйственных опрыскивателей, дета­

ния или отдельных их участков в результате повторного деформиро-

70

вания микрообъемоз материала, приводящего к возникновению трещин и отделению его частиц. Такой вид износа типичен для под­ шипников качения и шестерен. Механическое воздействие осуществ­ ляется микронеровностями контртела при наличии трения качения и небольшого проскальзывания. Изнашивание характеризуется на­ коплением и развитием субмикроповреждений или многократным пластическим деформированием поверхностного слоя.

К а в и т а ц и о н н ы м называется изнашивание поверхности в области захлопывания паро-газовых полостей, образующихся при относительном движении твердого тела в жидкости. Поверхностный слой подвергается высокочастотным локальным гидравлическим ударам в кавитационной области потока жидкости, оказывающим одновременно разупрочняющее действие. Кавитационному изнаши­ ванию подвергаются лопасти гребных винтов, колеса центробежных насосов, цилиндры двигателей внутреннего сгорания с водяным охлаждением, лопасти колес гидротурбин, запорные устройства тру­ бопроводов.

И з н а ш и в а н и е при з а е д а н и и наблюдается в результате схватывания, переноса частиц материала с одной поверхности тре­ ния на другую и воздействия образовавшихся неровностей на сопря­ женную поверхность. В условиях граничной смазки изнашивание происходит в результате локальных повреждений граничной пленки смазки и возникновения мгновенных молекулярных связей между материалами трущихся тел. Возможно также механическое повреж­ дение поверхностного слоя через пленку смазки, а также локальное разупрочнение материала, которому подвержены подшипники скольжения, подпятники, зубчатые и червячные передачи, поршне­ вые кольца и цилиндры, направляющие станков.

При сухом трении механическое воздействие осуществляется микронеровностями контртела при трении скольжения. Изнашива­ ние происходит в результате механического и молекулярного вза­ имодействия трущихся поверхностей в условиях упрочнения и раз­

В условиях газовой смазки износ возможен только при наруше­ нии режима трения (высокоскоростные опоры скольжения).

При о к и с л и т е л ь н о м и з н а ш и в а н и и происходит хими­ ческое воздействие материала с кислородом или окислительной сре­ дой (детали газовых турбин, элементы металлургического оборудо­ вания)., .

И з н а ш и в а н и е п р и ф р е т т и нг - ко р р оз и и — коррози­ онно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при колеба­ тельных относительных перемещениях. Этот вид изнашивания имеет место на контакте двух сопряженных деталей при их колеба­ тельных относительных перемещениях с малой амплитудой и окис­ лении продуктов изнашивания, не удаляемых с поверхности контак­

71

та. При фреттннг-коррозии в результате многократного деформиро­ вания одних и тех же пятен контакта происходит химическое раз­ упрочнение и последующее локальное разрушение поверхностного слоя. Этот вид разрушения имеет место у посадочных поверхностей подшипников качения, шкивов, шестерен, у болтовых и заклепочных соединений.

Для характеристики величины износа в технике пользуются ча­ ще всего следующими показателями.

1. Линейная интенсивность износа представляет собой высо изношенного слоя, приходящегося на единицу пути трения:

(84)

или

(85)

где к — высота изношенного слоя; L — путь трения;

V — изношенный объем материала; ,4 — номинальная площадь касания.

2. Весовая интенсивность износа характеризует вес вещества, к торый удаляется с единицы номинальной площади контакта на единицу пути трения

изношенного материала, приходящегося на единицу работы силы

но равная количеству отделившегося вещества g, приходящегося на единицу фактической площади контакта Лф при перемещении на расстояние, равное протяженности пятна касания (диаметра) в на­ правлении движения d:

A§d

5.Удельный линейный износ — безразмерная характеристик численно равная объему отделившегося вещества, приходящегося на единицу реальной площади контакта Лф при перемещении на расстояние, равное диаметру пятна касания:

(89)

72

Так как \'= А ф *, где /г* — средняя толщина снятого слоя, то hi — ^ > ig ~ Тhi

где у — удельный вес изношенного вещества.

К основным конструктивным методам повышения износостойко­ сти можно отнести следующие мероприятия. -

1. Устранение возможности изнашивания деталей при замен внешнего трения внутренним. Для многих изделий, особенно рабо­ тающих в условиях возвратно-поступательного или возвратно­ вращательного движения, внешнее трение может быть полностью устранено конструктивными методами, при этом без ухудшения эксплуатационных свойств и функций изделий.

На рис. 24 приведено устройство неизнашивающегося перегиба трубопровода. Так как в трубопроводах пневматических транспорт­ ных систем наиболее интенсивному износу подвергаются стенки по­

верхностей в местах их перегиба, то было предложено в таких ме­ стах устанавливать дополнительный отросток трубы. Транспорти­ руемый материал забивается в этот отросток и воспринимает на себя непосредственное воздействие подаваемого под давлением ма­ териала. Такое простое устройство полностью исключает опасность износа трубопровода в местах перегиба.

2. Применение принципа самозатачивания инструмента и режу щих органов сельскохозяйственных машйн. Режущий элемент сель­ скохозяйственных машин изготовляется двуслойным: тонкий режу­ щий слой из твердого металла и относительно толстый слой из мяг­ кого. Для режущего слоя используются различные твердые наплав­ ки (смесь релита с сормайтом 1, сплав ХТ5У, сормайт 1 и покрытия хрома, высоколегированные стали и некоторые другие материалы и композиции). Эти наплавки должны обеспечивать высокую изно­ состойкость. Второй слой лезвия, называемый несущим, должен об­ ладать достаточной прочностью, но невысокой износостойкостью. Самозатачивающиеся лезвия могут быть двух типов (рис. 25).

В первом случае режущий слой расположен снизу, а несущий —

7 3

сверху (рис. 25, а); верхний слой при резании быстро изнашивается равномерно по всей ширине лезвия, в то время как нижний износо­ стойкий слон изнашивается незначительно. Вследствие значитель­ ной разности скоростей изнашивания и происходит самозатачива­ ние. Во втором случае (рис. 25, б) несущий слой, соприкасаясь с об­ рабатываемым материалом, изнашивается только вблизи режущей кромки; остальная его поверхность изнашивается незначительно. Срок службы наплавленных ножей в 5—9 раз больше по сравнению

сненаплавленными.

3.Введение в местах концентрации износа сменных элементов. Работоспособность многих изнашивающихся деталей лимитируется

восновном износом небольшой ее части. Поэтому в отдельных слу­ чаях целесообразно быстро изнашивающуюся часть этих деталей выполнять съемными, что позволяет быстро заменять эти изделия при ремонте. Съемные элементы получили широкое распростране­ ние в конструкциях рабочих органов почвообрабатывающих и зем­ леройных машин. Аналогично построены, например, зубья ковшей экскаваторов, сменные элементы плужных лемехов и отвалов.

4.Применение компенсаторов износа в процессе работы машины и при ее ремонте. Различают три Еида компенсации износа;

ручная компенсация. При введении ручной компенсации в кон­ струкциях машин предусматривается введение регулировочных клиньев, прокладок, планок и других устройств, которые могут вставляться по мере износа деталей или заменяться на компенсато­ ры больших размеров;

автокомпенсация износа (самоподжимание). В этом случае для компенсации износа предусматривается использование свойств уп­ ругой деформации одной из деталей сопряжения. Этот принцип за­ ложен в конструкции поршневых колец двигателей внутреннего сго­ рания, насосов и компрессоров, чем обеспечивается их длительная работоспособность;

автоматическая поднастройка систем с изнашивающимися эле­ ментами, применяемая в тормозных механизмах и металлорежу­ щих станках. Например, А. С. Проников разработал метод повыше­ ния срока службы направляющих металлорежущих станков путем автоматической коррекции положения суппорта при его износе. По­ ложение суппорта контролируется датчиками, дающими сигнал в систему механической поднастройки, которая при достижении опре­ деленной величины износа направляющих автоматически восстанав­ ливает первоначальный зазор.

5. Обеспечение эффективной смазки трущихся поверхностей де­ талей машин.

В 90-х годах прошлого столетия на смену растительным маслам пришли минеральные нефтяные масла. Усложнение условий работы узлов трения привело к необходимости создания более стойких ма­ сел путем введения в них различных добавок (присадок), создания синтетических смазочных материалов, внедрения твердых смазок и самосмазывающих материалов.

74

Выбор смазочных материалов для конкретной пары производит­ ся в зависимости от действующей нагрузки, скорости, температуры, конструкции узла, внешней среды, доступности точек смазки и дру­ гих факторов.

При выборе типа смазки следует учитывать также различные свойства смазочных материалов. По сравнению с консистентными смазками смазочные масла имеют следующие преимущества: они имеют меньший коэффициент внутреннего трения, более высокую стабильность и чистоту, лучшую работоспособность при высоких скоростях скольжения, а также при повышенных и низких темпера­ турах, дают возможность осуществлять контроль за состоянием смазки и ее подачей, обеспечивают простоту смены и добавки масла, возможность смены отработанного масла и его регенерации. К недостаткам смазочных масел следует отнести: повышенные утеч­ ки через неплотности в разъемах корпусов и соединений маслопро­ водов; необходимость применения более сложных уплотнений; по­ вышенную пожароопасность.

Консистентные смазки обеспечивают лучшую работоспособность узлов при малых скоростях и высоких удельных давлениях, при действии удельных и знакопеременных нагрузок. Они обеспечивают

•возможность работы узлов при более высоких зазорах, заполняя полностью зазоры в узлах трения, препятствуют загрязнению сопрягаемых поверхностей. Однако при длительной работе узлов с повышенной температурой возможно разжижение, расплавление и вытекание консистентных смазок. Этот тип смазок применяют в основном в парах скольжения тихоходных механизмов, в откры­ тых зубчатых передачах и подшипниках качения.

Густые консистентные смазки снижают чувствительность прибо­ ров и механизмов управления. При высоких скоростях происходит отбрасывание смазки от рабочих поверхностей; повышение внутрен­ него трения при низких температурах может приводить к заклинива­ нию и нарушению работоспособности сопрягаемых деталей.

Использование жидких масел требует более сложного конструк­ тивного исполнения узлов. Однако они не имеют вышеперечислен­ ных недостатков, присущих консистентным смазкам.

В последние годы разработано много самосмазывающих мате­ риалов, использование которых в узлах трения не требует примене­ ния специальной смазки.

Следует иметь в виду, что смазка может применяться не только для повышения износостойкости деталей, но и для уменьшения со­ противления движению, нагревания деталей, для оказания демпфи­ рующего действия с целью уменьшения вибраций, для предохране­ ния поверхностей от коррозии.

§ 9. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

Согласно ГОСТ 5272—68 «Коррозия металлов. Термины», кор­ розия определяется как разрушение металлов вследствие химиче­

75

ского или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. В результате такого взаимодействия вначале происходит разрушение поверхностных слоев деталей, приводящее к снижению всех их качественных характеристик, а по мере развития коррозии может наступить полное разрушение деталей. Процесс коррозии большинства металлов и сплавов может происходить в нормальных климатических условиях, но при наличии повышенной влажности и агрессивных сред этот процесс значительно ускоряется.

Ущерб, 'наносимый коррозией, в первую очередь связан с поте­ рями металла. Так, например, в результате коррозии ежегодно вы­ бывает из технического употребления около одной трети добываемо­ го металла. Две трети из этого количества восстанавливается при переплавке. Оставшаяся же одна треть, около 10% общей добычи металла, полностью разрушается коррозией. Из-за этого вида раз­ рушений теряют работоспособность дорогостоящие машины, трубо­ проводы, металлоконструкции, приборы.

в Англии — около 600 млн. фунтов стерлингов. Причем здесь не учтены косвенные потери от коррозии — простои оборудования при ремонте, засорение агрегатов трубопроводов продуктами коррозии, завышение расчетных сечений деталей машин и др.

Металл может подвергаться коррозии в процессе технологиче­ ских операций изготовления деталей, при хранении, транспрртировке и эксплуатации машин.

Способность металла сопротивляться коррозионному воздейст­ вию среды называется к о р р о з и о н н о й с т о й к о с т ь ю. Поня­ тие «коррозионная стойкость» во всех случаях должно связываться с определенными температурами, средами и другими особыми ус­ ловиями. В зависимости от этих условий металлы и их сплавы могут обладать различной коррозионной стойкостью. Так, хром очень чув­ ствителен к разбавленной соляной кислоте и пассивен к такому окислителю, как азотная кислота.

Коррозионное разрушение металлов — естественный процесс их перехода в термодинамически более устойчивое состояние. Тер­ модинамика дает ответ на вопрос о возможности или невозможно­

химического соединения металла с каким-либо из агентов окружаю­ щей среды, например, с кислородом воздуха. При этом на металле образуются окисные пленки и дальнейшее взаимодействие металла с внешней средой затрудняется. Причем окисные пленки на метал­ лах могут затруднять или приостанавливать процесс коррозии, т. е. защищать металл от коррозии. Чтобы обладать хорошими защитны­

7 6

ми свойствами, окисные пленки должны удовлетворять ряду требо­ ваний: покрывать металл без разрывов, быть прочными, эластич­ ными, химически стойкими, обладать хорошей сцепляемостью с ме­ таллом.

Химическая коррозия обычно наблюдается при действии на по­ верхность металлов сухих газов (газовая коррозия) и органических жидкостей (дихлорэтан, бензин и др.), практически не проводящих электрический ток. Характерным примером химической (газовой) коррозии является окисление металлов в печах при их термической обработке.

Э л е к т р о х и м и ч е с к а я к о р р о з и я заключается в разру­ шении металлов, соприкасающихся с жидкостями, проводящими электрический ток — электролитами. При этом возникает электри­ ческое поле и происходит перемещение зарядов: в металле — элек­ тронов, в жидкости — ионов. Необходимым условием возникнове­ ния электрохимической коррозии является электрохимическая не­ однородность соприкасающейся с электролитом поверхности одного металла или нескольких металлов, имеющих между собой электри­ ческий контакт и находящихся в общем электролите.

В месте контакта металла с электролитом образуется скачок потенциала, называемый электрохимическим потенциалом (элек­ тродным потенциалом). Значение электрохимического потенциала металла зависит от многих факторов: состава электролита, темпе­ ратуры, состояния поверхности металла (чистота обработки, оста­ точные напряжения, химический состав) и др.

Все металлы по величине их электрохимических потенциалов в конкретном электролите можно расположить в порядке возрастаю­ щих значений потенциала. Если электролитом будет служить атмос­ ферная влага, то по значению электрохимических потенциалов наиболее важные в практическом отношении металлы располагают­

П р и м е ч а й и е. Приведены конечные (кроме Mg) значения электрохимиче­ ских потенциалов в 3%-ном растворе NaCl при 18°С.

Если в конструкции два металла, обладающие различными элек­ трохимическими потенциалами, находятся во взаимном контакте

77

и соприкасаются с электролитом (атмосферная влага или другие среды), то образуется гальванический элемент. При этом металл, имеющий отрицательный потенциал (анод), будет разрушаться. Металл, имеющий положительный потенциал (катод), не разру­ шается.

Таким образом, при контакте двух металлов электрохимически разрушается тот, который стоит выше в таблице электрохимических потенциалов. У него потенциал ниже, он является анодным участ­ ком электрохимической цепи.

Величина потерь с единицы поверхности металла в единицу вре­ мени называется скоростью коррозии. На скорость коррозии боль­ шое влияние оказывают многие факторы, которые обычно делят на внутренние и внешние. Внутренние факторы зависят от материала корродирующей детали, его строения, физико-химических свойств поверхности, чистоты обработки, напряженного состояния и т. п. Внешние факторы коррозии связаны с природой коррозионной сре­ ды, ее составом, температурой, условиями воздействия (движение среды) и т. п.

Из числа внутренних факторов одним из важнейших является состав сплава. Например, сплавы на основе электроположительного металла — меди, обладают более высокой коррозионной стойко­ стью, чем сплавы на основе магния — металла электроотрицатель­ ного (см. табл. 5). Строение сплава, степень его однородности так­ же влияют на коррозионную стойкость. Если сплав неоднороден, состоит из зерен разного состава, то при наличии электролита, на его поверхности образуется множество микрогальванических элемен­ тов. анодные участки начнут разрушаться, возникнет коррозия. Так, закалка дюралюмина, отжиг оловянистых бронз повышают одно­ родность этих сплавов, а следовательно, и их стойкость против элек­ трохимической коррозии.

Электрохимическая коррозия может возникнуть и при неодно­ родной напряженности отдельных участков детали, так как при увеличении внутренних напряжений электрохимический потенциал этих участков становится отрицательным, и они подвергаются раз­ рушению. Результатом совместного действия коррозионной среды и напряжений являются такие виды разрушений, как коррозион­ ное растрескивание, коррозионная усталость.

Из числа факторов, связанных с природой коррозионной среды, ч большое значение имеет содержание кислорода в водных растворах, так как кислород может служить ускорителем коррозионного про­ цесса. В металлических конструкциях, когда различные участки де­ тали находятся в условиях неодинаковой аэрации, т. е. соприкасают­ ся со средой, содержащей различные количества кислорода, обра­ зуются участки с различной степенью окисления. Менее окисленные участки становятся анодами и при коррозии разрушаются.

Морская вода, содержащая растворенные соли, представляет собой сильный электролит и является активной коррозионной сре­

78

дой по отношению к большинству конструкционных сплавов. Поэто­ му защите от коррозии конструкций, находящихся в морской воде и в приморских районах, должно уделяться особое внимание.

По характеру внешнего проявления различают 36 видов корро­ зии (ГОСТ 5272—68), из которых наиболее часто встречаются сле­ дующие (рис. 26):

Рис. 26. Основные виды коррозии

сплошная, охватывающая всю поверхность детали, может быть равномерной (рис. 26, а) и неравномерной (рис. 26,6);

местная, охватывающая отдельные участки поверхности детали:

кристаллитов (зерен) металла. Межкристаллитная коррозия разру­ шает границы между зернами, резко снижает механические свойст­ ва детали и является одним из самых опасных видов коррозии, осо­ бенно если учесть, что при внешнем осмотре ее трудно обнаружить.

Кроме рассмотренных, указанный стандарт определяет: атмо­ сферную коррозию — коррозия металла в атмосфере воздуха или любого влажного газа, подземную — в почвах и грунтах, биокор­ розию — под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов, кор­ розию при трении — вызываемую одновременным воздействием кор­ розионной среды и трения, и др.

В эксплуатации часто встречаются на одной детали различные комбинации перечисленных видов коррозии. Так, сплошная корро­ зия может сопровождаться межкристаллитной.

Количественно величина коррозии и коррозионной стойкости может оцениваться следующими методами.

79