книги из ГПНТБ / Балякин, О. К. Технология и организация судоремонта учеб. пособие

под пределом коррозионной выносливости условились понимать максимальное напряжение, которое не вызывает разрушения эле­ мента (образца) при заданном числе циклов напряжения и при одновременном воздействии на элемент коррозионной среды и переменных напряжений.

Сопротивление коррозионной усталости зависит главным обра­ зом от устойчивости металла перед коррозией. Специальные обра­ ботки металла (например, азотирование) значительно увеличива­ ют его сопротивление коррозионной усталости.

В а н а д и е в а я к о р р о з и я замечена при попытках использо­ вать тяжелые сорта топлива, содержащие ванадий и серу, для сжи­ гания в котельных установках и газотурбинных двигателях. Уже при содержании ванадия 0,001% срок службы рабочих и направ­ ляющих лопаток очень мал.

При температуре 600—850° С на поверхности металла образу­ ется окисная пленка, состоящая главным образом из окисла же­ леза a —Fe20 3. С повышением температуры до 700° С наряду с а—Fe203 образуется и продукт окисления а —Сг20з. Образовав­ шиеся оксидные пленки тормозят дальнейшее разрушение метал­ ла. Если же на поверхности металла окажется продукт окисления

и уносятся потоком газов. При наличии в продуктах сгорания топ­ лива Ыа20 и Na2S 0 4 температура плавления окисной пленки сни­ жается, что ускоряет ее разрушение, вызывая диффузию кислоро­ да в незащищенную поверхность металла и дальнейшее коррозион­ ное разрушение металла.

Ванадиевая коррозия, кроме непосредственного разрушения металла, особенно на основе железа, сопровождается снижением длительной и усталостной прочности металла, пластичности и ударной вязкости.

Методами борьбы с ванадиевой' коррозией в настоящее время являются использование топлива, содержащего оптимальное ко­ личество серы и ванадия, и введение в топливо специальных при­ садок. Известно, например, что эффективно снижает ванадиевую коррозию добавление в топливо окиси магния MgO и сернокисло­ го магния M gS04.

Усталостное разрушение. Усталостью металла называется про­ цесс постепенного накопления повреждений под действием пов­ торно-переменных напряжений, приводящих к уменьшению дол­ говечности материала, образованию трещин и разрушению его.

Свойство материала противостоять усталости называется вы­ носливостью.

При эксплуатации судов наиболее часто приходится встречать­ ся с усталостным разрушением.

Согласно энергетической теории, процесс усталостного разру­ шения проходит три последовательных периода (рис. 16), после которых деталь разрушается:

накопление упругих искажений кристаллической решетки;

100

торов: появления концентраторов напряжений, наличия агрессив­

В условиях дефектации усталостное разрушение (при раскры­ тии трещины на поверхности не менее чем на 0,003—0,005 мм) мо­ жет быть обнаружено при визуальном осмотре детали, магнитны­ ми и капиллярными методами дефектоскопии.

Для отдельных узлов и деталей судовых технических средств

температурных градиентов и затрудненности температурного рас­ ширения деталей. Сопротивление термической усталости зависит главным образом от коэффициента термического расширения,

теплопроводности и сопротивления материала переменной дефор­ мации.

Термическая деформация прямо пропорциональна коэффициен­ ту термического расширения. Влияние величины теплопроводности зависит от скорости изменения температурного состояния детали. При медленном изменении температуры величина коэффициента температурного расширения велика. Если же нагрев (или охлаж­ дение) происходит со значительной скоростью, то, чем больше ве­ личина теплопроводности материала, тем меньше возникающие при этом температурные перепады и температурные деформации. При чрезвычайно больших скоростях нагрева температура на по­ верхности может оказаться максимальной, в то время как основ­ ная масса детали будет иметь значительно меньшую температуру.

101

В данном случае теплопроводность мало влияет на величину воз­ никающих деформаций и напряжений.

При определенном распределении температур величина дефор­ мации зависит от сопротивления материала переменной деформа­ ции (суммы упругой и пластической деформации). При значитель­ ных перепадах температур пластические деформации оказывают­ ся значительными, что приводит к разрушению детали досле срав­ нительно небольшого числа циклов нагружений.

Термоусталостные разрушения можно предотвратить выбором оптимальной скорости изменения температурных режимов, опти­ мальных конструкций и материалов, недопущением значительных стеснений деталей, подвергающихся термическому воздействию, Например, лопатки газовых турбин на дисках ротора устанавли­ вают с некоторым зазором на тепловое расширение хвостовика лопатки.

Ползучесть металлов. Ползучестью называется процесс измене­ ния во времени деформаций и напряжений, возникающих в эле­ менте (детали) под действием внешних нагрузок.

Для каждого металла ползучесть возникает при определенной температуре. Скорость ползучести находится в прямой зависи­ мости от температуры и напряжений.

Изменение деформации детали при ползучести принято назы­ вать последствием; а изменение напряжений — релаксацией.

Например, релаксация вознйкает при ослаблении плотности фланцевых соединений трубопроводов, работающих в условиях высоких температур. Плотность фланцевого соединения при его сборке достигается за счет создания упругих деформаций и на­ пряжений в материале болтов. С течением времени вследствие ползучести и релаксации напряжений при неизменной величине общей деформации болтов часть упругой деформации превраща­ ется в пластическую. Как следствие, плотность фланцевого соеди­ нения снижается.

Другим примером ползучести может быть удлинение рабочих лопаток турбин, работающих при высоких температурах. В резуль­ тате воздействия центробежных сил длина лопаток увеличивается. Опасность этого явления заключается в уменьшении радиальных зазоров в проточной части турбины и касании рабочих лопаток о неподвижный корпус турбины.

В связи с тем что в условиях ползучести работает значительное число деталей и узлов судовых силовых установок, необходимы предварительный расчет и прогнозирование данного процесса раз­ рушения. При этом исходят из величины предельной остаточной деформации, которая может быть допущена по условиям безо­ пасной работы.

От выбранной предельной остаточной деформации и темпера­ туры, при которой работает элемент, зависит наибольшее напря­ жение, которое не вызывает повышенной деформации. Это напря­ жение называется пределом ползучести.

102

§32. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ТРЕНИЯ

ИИЗНОСА

Проблема износостойкости деталей машин — это проблема их долговечности. На ремонт и ТО машин затрачивается во много раз больше труда, чем на их изготовление.

Снизить износ деталей можно с помощью конструктивных мер, которые уменьшают действительные нагрузки на поверхности тре­ ния деталей и улучшают их смазку, снижают температуру поверх­ ностей трения, скорость скольжения и устраняют вибрацию. Могут быть технологические меры для повышения твердости поверхност­ ного слоя путем азотирования, цементирования с последующей закалкой, хромирования, улучшающие прирабатываемость дета­ лей, обеспечивающие оптимальную чистоту поверхности и т. д. Большое значение на долговечность узлов трения оказывают и эксплуатационные факторы.

Проведенные Д. Н. Гаркуновым и Н. В. Крагельским иссле­ дования показали, что износостойкость исходных прочностных ха­ рактеристик основана на законах физико-химической механики и молекулярно-механической теории трения и износа.

В настоящее время признанной считается молекулярно-меха­ ническая теория трения, в основе которой лежат следующие пред­ ставления. Из-за волнистости и шероховатости соприкасающихся поверхностей контакт твердых тел происходит лишь в отдельных пятнах, сосредоточенных на вершинах волн. Диаметр эквивалент­ ных круглых пятен касания (фрикционных связей) составляет 1-—50 мкм, в зависимости от природы поверхности, вида обработки и режима трения. Общая площадь фактического контакта для де­ талей мала и составляет 0,01—0,0001 видимой площади трения. На пятнах действительного контакта образуются адгезионные мо­ стики (мостики сварки между твердыми телами), являющиеся результатом различных молекулярных взаимодействий. Взаимо­ действие этих связей неминуемо, так как поверхностная энергия системы согласно второму закону термодинамики стремится к минимуму, а на границе твердого тела и воздуха она значительно больше.

Помимо адгезионного взаимодействия, в зонах фактического контакта более жесткие выступы внедряются в сопряженное тело.

При перемещении на поверхностях трущихся деталей в направ­ лении движения образуются канавки, желобки, материал раздви­ гается в стороны и поднимается твердыми неровностями. Обра­ зующиеся мостики сварки между неровностями разрушаются (сре­ заются) и формируются вновь.

Таким образом, из молекулярно-механической теории следует, что процесс внешнего трения представляет собой деформирование весьма тонких поверхностных слоев каждого из соприкасающихся тел, осложненное разрушением адгезионных мостиков между пленками, покрывающими эти тела.

103

Теоретический анализ процесса трения показывает, что для уменьшения износа и сил трения необходимы два условия:

минимальное внедрение выступов поверхностей трения в ре­ зультате неоднородности механических свойств материалов и не­ избежной шероховатости и волнистости поверхностей;

минимальная прочность адгезионных связей на участках фак­ тического контакта.

Указанные условия можно выполнить при наличии тонкой пре­ дельно пластичной прослойки на твердом основании, которая об­ разует малопрочные адгезионные связи, а твердое основание сводит к минимуму внедрение и, как результат, уменьшает коэффициент трения и усилия механической составляющей силы трения.

сит прежде всего от таких величин, как h, то, рти р. Коэффициент трения будет наименьшим при наименьших значениях h, т0 и р и наибольшем значении рг.

Значение h будет тем меньше, чем тоньше пленка и тверже подкладка. Для того чтобы т0 было минимальным, пленка должна быть малопрочной, а подкладка твердой, чтобы рт было велико. Что касается коэффициента р, то минимальное его значение будет для малонаклепывающихся материалов.

Нанесение тонких пленок на трущиеся поверхности деталей в процессе их изготовления и ремонта имеет ограниченное приме­ нение из-за того, что металлическая пленка недолговечна (быстро покрывается окислами и изнашивается, а неметаллическая пленка истирается). Поэтому как металлические, так и неметаллические покрытия применяют лишь как приработочные.

Создание долговечной металлической' пленки на трущихся по­ верхностях — один из путей уменьшения трения и повышения надежности и долговечности подвижных сопряжений механизмов.

Исследования, проведенные Д. Н. Гаркуновым, Н. В. Крагельским и А. А. Поляковым, показали, что использование физико-хи­

104

мических и механических процессов, происходящих при трении, позволяет получить тонкую пластичную пленку неокисляющейся меди при трении бронзы о сталь. Образование этой пленки в про­ цессе трения и перенос ее с одной поверхности трения на другую позволяют уменьшить износ. Выделение меди в данном случае происходит из твердого раствора медного сплава, при разрушении межатомных связей между атомами меди и, например, цинка. По­ этому явление получило название атомарного переноса. В связи с тем что перенос может происходить и группами атомов, авторы используют термин «избирательный перенос». Слово «избиратель­ ный» подчеркивает принципиальное отличие этого вида переноса от обычного переноса (схватывания) твердого раствора сплава.

Избирательный перенос не универсален в применении. Он пока ограничен по скорости скольжения, температуре и нагрузке и мо­ жет пока успешно применяться в узлах трения при скорости сколь­ жения до 6 м/с, температуре до 40—60° С, нагрузке до 400 кгс/см2.

Избирательный перенос в реальных условиях полностью не избавляет трущиеся сочленения от износа. Это объясняется тем, что в условиях эксплуатации трущихся пар на эффект избира­ тельного переноса накладываются другие факторы, повышающие износ (абразивные частицы, влага, вызывающая коррозию сталь­ ных деталей, ударные нагрузки, перекосы и т. д.).

В связи с наличием перечисленных факторов избирательный перенос не может полностью компенсировать увеличение износа. Однако проявление его значительно снижает темп износа (в 6— 8 раз), а в случае принятия мер против указанных побочных яв­ лений можно практически реализовать безызносную пару трения, добиться эффекта безызносности.

§ 33. ОБНАРУЖЕНИЕ ДЕФЕКТОВ ПО ВНЕШНИМ ПРИЗНАКАМ

Значительную часть дефектов механизмов, устройств и систем можно определить по внешним признакам во время дефектовочного пробега судна, дефектовочного пуска отдельных механизмов или при наружном визуальном осмотре.

Техническое состояние механизмов во время их работы опреде­ ляют по таким признакам, как повышенная шумность и стуки в от­ дельных частях, повышенный нагрев трущихся деталей, вибрация, дымность у двигателей внутреннего сгорания, пропаривание у па­ ровых турбин, пониженная мощность, неудовлетворительная ра­ бота регуляторов, снижение давления нагнетания у насосов ит. д. Подробная характеристика этих признаков ненормальной работы механизмов дана в правилах технической эксплуатации.

Для двигателей внутреннего сгорания в данное время разра­ ботаны методы безразборной технической диагностики с использо­ ванием специальной аппаратуры и приборов.

После оценки технического состояния механизмов во время работы их разбирают и очищают детали от масла и загрязнений. Очищенные детали подвергают визуальному осмотру для выяв­

105

ления грубых дефектов (наработков на рабочих шейках валов, задиров на рабочей поверхности втулок цилиндров, трещин в местах сопряжений поверхностей деталей, коррозионных разрушений, чрезмерного утонения деталей и т. д.).

Так как визуальным осмотром можно обнаружить далеко не все дефекты, в дальнейшем детали и узлы механизмов и устройств подвергают специальным методам дефектоскопии с использовани­ ем различной аппаратуры.

Большинство дефектов элементов корпуса судна, систем и уст­ ройств (наружной обшивки корпуса, палуб, водонепроницаемых пе­ реборок, стального настила двойного дна, профилей набора, за­ клепочных и сварных швов) выявляют визуальным осмотром. Так выявляют коррозионные разрушения, вмятины, гофры, трещины, деформации набора, нарушения целостности заклепочных и свар­ ных соединений.

У паровых котлов выявляют трещины и разъедания, выпучины на листах огневых камер, обгорания и разрывы водогрейных и ды­ могарных труб, течь в сварных и заклепочных швах, утонение и разрывы связей, разрушение футеровки котла и т. д.

Визуальным осмотром систем трубопроводов выявляют неплот­ ности соединения труб и арматуры, свищи, трещины и разрывы.

§ 34. ОБНАРУЖЕНИЕ ДЕФЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ ЗАМЕРОВ

Большую часть дефектов судовых механизмов и таких уст­ ройств, например, как дейдвудные и рулевые, выявляют при обме­ рах рабочих поверхностей деталей и замерах зазоров в сопряже­ ниях. При этом определяют характер и степень износа сопряжен­ ных поверхностей.

Детали обмеряют обычно микрометрическим инструментом (скобы, штихмасы и т. д.) и штангенинструментом (циркули, глу­ биномеры). Для измерения зазоров используют пластинчатые и клиновые щупы, а также свинцовые оттиски.

Определенные величины износов сравнивают с нормами, уста­ новленными заводами-изготовителями механизмов, Правилами Регистра СССР или правилами технической эксплуатации.

Детали, у которых износы превышают установленные нормы, ремонтируют или заменяют.

Предельно допустимые износы устанавливают из условий до­ статочно долговечной и надежной работы деталей на основе тео­ ретических расчетов и опыта их эксплуатации. Их дают обычно в виде таблиц или номограмм, в зависимости от номинальных раз­ меров деталей, характера их сопряжения и условий работы узла^

Обмеру подвергают: цилиндры и цилиндровые втулки, поршни, уплотнительные кольца поршней, поршневые штоки, рабочие шей­ ки валов, шейки головных пальцев и цапф поперечин крейцкоп­ фов.

Характерными видами дефектов, которые определяют на осно­ ве обмеров, являются: эллиптичность, конусность и бочкообраз­

106

ность. Кроме характера износа, по обмерам определяют также величину износа деталей: увеличение (для втулок) и уменьшение (для валов) размеров.

Результаты обмеров заносят в специальные таблицы, форма которых должна быть удобной для определения характера и ве­

(рис. 17).

Кроме того, замеряют зазоры: в подшипниках, между ползуна­ ми и параллелями, между поршнями и цилиндрами, в проточной

Рис. 17. Схема обмера рабочей шейки вала

части и уплотнениях турбин, в зацеплении зубчатых передач; за­ меряют высоты камер сжатия у двигателей внутреннего сгорания.

Производят и ряд специальных замеров, помогающих опреде­ лить общее техническое состояние механизма или его узла: замеры упругих раскепов щек мотыля коленчатого вала двигателя, замеры, выполняемые при центровке деталей и узлов механизмов и уст­ ройств, замеры изломов и смещений при определении состояния центровки валопровода и др.

О том, как выполняются эти специальные замеры, будет под­ робно сказано в следующих разделах.

107

Ц и л и н д р ы и в т у л к и главных и вспомогательных меха­ низмов в процессе эксплуатации получают износ, который выра­ жается в появлении на рабочих поверхностях рисок, задиров, на-

линдра, а у двигателей внутреннего сгорания, кроме того, подвер­ гаются действию высоких температур, вследствие чего головки их обгорают и деформируются. В результате поршни в процессе экс­ плуатации неравномерно изнашиваются по диаметру и получают эллиптичную форму в поперечных сечениях.

Для определения характера и величины износа поршни или направляющие их части (тронки) обмеряют по нескольким сече­ ниям в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (одну из них выбирают в плоскости движения шатуна).

Поршни без направляющих частей, а также поршни с относи­ тельно короткими тронками обмеряют обычно по трем сечениям

108

(микрометрическими скобами). Обмеряют также отверстия для

местах прилегания к боковым поверхностям канавок поршней и по наружной цилиндрической поверхности. В резуль­ тате кольца становятся ниже, радиальная толщина их уменьшается, зазоры в канавках и в замках уве­ личиваются.

Износы колец регламентируют величинами за­ зоров в канавках и в замках. Контролируют также упругость колец.

Зазоры в канавках измеряют в нескольких ме­ стах по окружности пластинчатым щупом при на­ детых кольцах на поршень.

Для замера зазоров в замках кольца снимают с поршня и устанавливают в цилиндр в месте наи­ меньшего диаметра.

При замере пластинчатым щупом проверяют плотность прилегания колец к стенкам цилиндро­ вой втулки.

П о р ш н е в ы е ш т о к и изнашиваются от тре­ ния о детали уплотнительных сальниковых уст­ ройств. В результате штоки уменьшаются в диа­ метре, появляется эллиптичность в поперечных се­ чениях, неравномерность диаметра по длине (вол­ нистость), на рабочей поверхности образуются наработки, риски и задиры.

Для определения износов штоки обмеряют мик­ рометрическими скобами по сечениям через 100— 200 мм в двух взаимно перпендикулярных плоско­

стях.

Р а б о ч и е ш е й к и в а л о в в результате изно­ са делаются тоньше, на них появляются эллип­

тичность, конусность и бочкообразность. Кроме того, шейки могут иметь биение (эксцентричность) относительно оси вращения вала. Биение может быть следствием неравномерного износа и дефор­ мации вала. На шейках могут быть также кольцевые риски и за­

диры.

Рабочие шейки валов обмеряют микрометрическими скобами в трех сечениях (два крайних, одно среднее) по двум взаимно пер­ пендикулярным плоскостям. Исключение составляют рабочие шей­ ки гребных и дейдвудных валов, длина которых в несколько раз больше их диаметра. Поэтому количество сечений в данном слу­ чае выбирают в зависимости от длины шейки. Расстояние между сечениями назначают в пределах 200—300 мм.

109