книги из ГПНТБ / Ремонт машин инженерного вооружения учебник

Перечисленный комплекс вопросов, знание которых является обязательным для инженеров, занимающихся ремонтом инженер­ ной техники, и является предметом изучения настоящего курса.

§2. НЕИСПРАВНОСТИ МАШИН И УЗЛОВ

ИПРИЧИНЫ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ

Впроцессе эксплуатации машин их детали и сопряжения под­ вергаются воздействию динамических нагрузок, абразивной среды, влаги, резких колебаний температуры и т. п., что сопровождается возникновением дефектов или повреждений, а также неисправно­ стей или отказов узлов, агрегатов и машин. Сохранение машиной работоспособности во многом зависит от сопротивления ее деталей

исопряжений различным разрушающим воздействиям, т. е. от их

износостойкости, коррозионной и эрозионной стойкости, механи­ ческой и усталостной прочности и других факторов.

Возникновение дефектов деталей и неисправностей узлов или агрегатов, делающих невозможной дальнейшую эксплуатацию ма­ шины— неизбежное явление, сопровождающее работу машины, а иногда и ее длительное хранение.

Дефектной считается такая деталь, форма, размеры и состоя­ ние рабочих поверхностей которой настолько изменились, что нормальная работа узла (сопряжения) нарушается. Износ рабо­ чих поверхностей более допустимого, изломы, пробоины, изгибы детали, трещины, изменение структуры или механических свойств материала — характерные примеры дефектов или повреждений де­ талей.

Под неисправностью следует понимать такое состояние сопря­ жения, узла, агрегата или прибора, которое не соответствует экс­ плуатационным требованиям к ним и не обеспечивает нормальную работоспособность или безопасность работы машины.

Неисправности сопряжений в большинстве случаев происходят из-за нарушений посадок в результате изменения зазоров или на­ тягов, разрегулировок и ослабления креплений.

В подвижном соединении нарушение посадки проявляется з увеличении зазора, например: увеличение радиального и бокового зазоров в паре зубчатых колес, увеличение зазоров в шлицевом и шарнирном соединениях, между подшипником скольжения и ва­ лом и т. д.

В неподвижном сопряжении нарушение посадки проявляется в уменьшении натяга и способности сопряжения передавать (вос­ принимать) нагрузки, например: уменьшение натяга в сопряжении ступица шкива — вал, маховик — венец маховика, вал — внутрен­ нее кольцо подшипника.

Ослабление креплений может возникать у отдельных деталей узлов и, как правило, влечет за собой увеличение динамических нагрузок, потерю жесткости, герметичности и плотности, сопровож­ дающихся утечкой масла, топлива и других эксплуатационных жидкостей или газов.

22

Неисправности и отказы узлов, агрегатов и машин чаще всего являются следствием нарушения взаимного пространственного по­ ложения деталей в результате износа или повреждения их рабо­ чих поверхностей. Проявляются они в нарушении центровки, со­ осности, параллельности или перпендикулярности осей, валов и сопряженных с ними деталей. Примеры таких неисправностей: нарушение зацепления конических зубчатых колес, параллельно­ сти опорных катков и подвески гусеничного хода, нарушение нор­ мальной работы механизмов управления машиной и т. д.

Опыт эксплуатации машин инженерного вооружения показы­ вает, что основными причинами появления неисправностей и отка­ зов в машинах являются:

—естественное изнашивание деталей;

—несвоевременное техническое обслуживание, нарушение правил эксплуатации или хранения;

—конструктивная недоработка и отклонения от технологии

изготовления деталей или сборки узлов и машин;

— боевые повреждения машин, аварии.

Естественное изнашивание. Постепенное изменение размеров, формы или состояния рабочих поверхностей деталей в результате действия сил трения и других факторов (при правильной эксплуа­ тации и хранении) называется естественным изнашиванием. Харак­ терными дефектами деталей, возникающими вследствие естествен­ ного изнашивания, являются: уменьшение толщины зуба зубчатых колес, диаметров шеек валов и осей, искажение геометрической формы зубьев ковшей экскаваторов или ножей бульдозеров.

Нарушение правил эксплуатации или хранения. Дефекты или повреждения деталей могут возникнуть в результате несвоевре­ менного или некачественного технического обслуживания машин, нарушения правил эксплуатации и хранения.

Характерными дефектами деталей, возникающими вследствие несвоевременного технического обслуживания, являются: выход из строя подшипников качения и их заклинивание из-за недоста­ точной смазки, разрушение крепежных соединений из-за несвое­ временной подтяжки, выход из строя деталей цилиндро-поршневой группы двигателя в результате нарушения смазки или темпера­ турного режима.

При нарушении правил эксплуатации наиболее часты следую­ щие дефекты: повреждение элементов рам, корпусов и кабин, деталей ходовой части (колес, опорных катков, рессор, торсионоз, гусеничных цепей), фрикционных элементов (главных фрикцио­ нов, сцеплений, тормозов), обрыв тросов, повреждение грузовых стрел и т. п.

При нарушении правил хранения приходят в негодность в ре­ зультате интенсивного старения или коррозии дюритовые сочлене­ ния, резиновые бандажи катков, покрышки и камеры колес, топ­ ливные баки и теплообменники, радиаторы, детали агрегатов

23

электрооборудования, цилиндры двигателей и другие ответствен­ ные детали.

Недостатки конструкции и нарушение технологии изготовления или ремонта деталей. Сравнительно частой причиной преждевре­ менного появления дефекта детали являются недостатки ее конст­ руктивной разработки, заключающиеся в неправильном назначе­ нии размера или формы, неудачном выборе материала или спосо­ бов термической обработки, а также отклонения от технологиче­ ского процесса изготовления детали или сборки сопряжения, узла или агрегата.

Нарушение технологического процесса проявляется в увеличе­

машине.

Постоянное совершенствование конструкции машин, улучше­ ние качества изготовления или ремонта деталей, а также совер­ шенствование технологического процесса сборки узлов, агрегатов и машин могут значительно уменьшить количество неисправно­ стей, выявляемых в процессе эксплуатации машин.

Боевые повреждения. Повреждения деталей и неисправности агрегатов и машин инженерного вооружения, возникающие в ре­ зультате воздействия оружия противника, называют боевыми по­ вреждениями. Характерными дефектами в этом случае являются: пробоины и разрушения элементов рам, корпусов, картеров агре­ гатов и узлов, повреждения сварных швов, разрушение деталей ходовой части, рабочего оборудования и механизмов управления, заклинивание движущихся частей и обгорание машин.

Количество и характер неисправностей машин, являющихся следствием боевых повреждений, зависит от местонахождения тех­ ники в боевых порядках войск, вида и мощности применяемого противником оружия, устойчивости техники к воздействию оружия и других факторов.

Из всех перечисленных причин возникновения дефектов дета­ лей и неисправностей машин наиболее общим и часто встречаю­ щимся является естественное изнашивание. Поэтому исследование закономерностей этого изнашивания и отыскание путей снижения его интенсивности эксплуатационными, конструктивными и тех­ нологическими мероприятиями является основным направлением продления срока службы и увеличения эффективности применения инженерных машин.

§ 3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ИЗНАШИВАНИЯ И ВИДЫ ИЗНАШИВАНИЯ

Анализ процесса изнашивания и опыта эксплуатации инженер­ ных машин позволяет отметить два важных положения, в свете которых следует рассматривать этот процесс и определять пути снижения его интенсивности.

24

1.Так как машины и механизмы предназначены для выполне­ ния механической работы, являющейся результатом действия сил на определенном пути, то процесс возникновения сил трения, а сле­ довательно, и изнашивания деталей является неизбежным.

2.Чаще всего изнашивание пропорционально величине силы трения. В свою очередь, сила трения в значительной степени за­ висит от условий работы детали, характера ее нагружения, ско­ рости относительного перемещения рабочих поверхностей сопря­ женных деталей, качества обработки поверхности, материала со­ пряженных деталей, условий смазки, температуры, рода трения и других факторов.

Эта зависимость силы трения, а значит и изнашивания, от большого количества факторов определяет необходимость изуче­ ния их влияния на изнашивание и способов снижения его интен­ сивности созданием благоприятных условий для работы детали, а также выполнением соответствующих этим условиям конструк­ тивных и технологических мероприятий.

мость четкой классификации видов изнашивания по причинам их вызывающим. Классификация видов изнашивания обеспечивает более целенаправленное выполнение исследовательских работ с целью изучения их закономерностей.

Сложность разработки такой классификации усугублялась влиянием на изнашивание детали нескольких факторов одновре­ менно и трудностью изоляции влияния одного фактора от дру­ гого. Это привело к появлению большого количества различных классификаций, по-разному оценивающих одни и те же явления и по-разному их объясняющих.

При разработке классификаций в основу их полагалось то, что изнашивание детали происходит под воздействием на нее энергии. Рассматривая один вид энергии, вызывающей изнашивание, как основной или определяющий, причины изнашивания в соответ­ ствии с известными видами энергии можно разделить на следую­ щие группы:

1) механические — пластическая деформация, хрупкое разру­ шение и срезание микрошероховатостей, высокие местные поверх­ ностные напряжения, усталость от воздействия знакопеременных напряжений;

2)химические — коррозия металлов, старение резины и изоля­ ционных материалов, гниение древесины, окисление;

3)тепловые— оплавление рабочих поверхностен детален, на­ рушение термической обработки;

4)электрические — электроэрозия;

5) молекулярные — схватывание и сваривание, образование структурных связей и их обрыв, иногда с глубинным вырыванием объемов металла.

25

Характерные признаки изнашивания и его величина служили основанием для отнесения детали по износу к той или иной группе.

Так, широкое распространение получило механическое пред­ ставление о природе изнашивания деталей. Наблюдаемые в дета­ лях машин виды изнашивания по М. М. Хрущеву делятся на сле­ дующие разновидности:

1) механическое, при котором основное значение имеют:

а) абразивное изнашивание, происходящее вследствие режу­ щего действия неровностей поверхности детали или твердых по­ сторонних частиц, «шаржирующих» одну деталь или передвигаю­ щихся между трущимися поверхностями;

б) изнашивание вследствие пластического деформирования; в) изнашивание, связанное с хрупким разрушением;

2)молекулярно-механическое: изнашивание при схватывании и заедании;

3)коррозионно-механическое, при котором продукты коррозии стираются механическим воздействием.

Б. И. Костецкий предложил различать следующие виды изна­ шивания: схватывание I рода, окислительное, тепловое (схватыва­ ние II рода), абразивное и осповидное.

Схватывание I рода определяется свойством микрообъемов ме­ талла трущихся деталей образовывать металлические молекуляр­ ные связи при воздействии высоких нагрузок и сравнительно не­ большой скорости относительного движения сопряженных поверх­ ностей.

Окислительное изнашивание определяется свойством ультрамикроскопических и микроскопических объемов поверхностных слоев металла деталей образовывать твердый раствор и химиче­ ские соединения с кислородом при пластическом деформировании его в точках контакта.

Тепловое изнашивание (схватывание II рода) определяется яв­ лениями, происходящими в микроскопических объемах поверхност­ ных слоев, в результате воздействия высокой температуры на по­ верхностях трения.

Абразивное изнашивание определяется высокими удельными давлениями на трущихся поверхностях, зависящими от наличия и свойств абразивных частиц, находящихся между ними.

Осповидное изнашивание определяется возникновением явле­ ний усталости и выкрашивания на поверхностях деталей, работаю­ щих при трении качения.

Возникновение первых трех видов изнашивания коренным об­ разом связано с характеристиками трущихся материалов и взаи­ модействием рабочих поверхностей с кислородом воздуха. Эти ви­ ды изнашивания могут появляться при сухом трении или гранич­ ной смазке. В широком диапазоне изменения условий трения (внешних механических воздействий, среды, материалов деталей) отчетливо обнаруживаются два сложных процесса:

26

а) схватывание металлов, возникающее в результате взаимо­ действия поверхностей трения при определенном пластическом состоянии поверхностных слоев, обусловленном скоростью дефор­ мации, напряженным состоянием и температурой активных объе­ мов металла;

б) окисление пластически деформированных поверхностных слоев с образованием твердых растворов и химических соединений кислорода с металлом.

Каждый из этих процессов характеризуется резко отличными проявлениями силы трения и величиной износа, имеет определен-

ные стадии, схему развития и механизм разрушения поверхност­ ных слоев. Проявление одного из процессов устраняет другой. Это объясняет чередование видов изнашивания (схватывание первого рода, окислительное и схватывание второго рода) и преобладание одного из них в зависимости от скорости относительного движения

(рис. 1).

Вследствие этого имеется возможность устранения нежелатель­ ного вида изнашивания схватыванием первого и второго рода, отличающихся большой интенсивностью, путем перехода к более благоприятному окислительному изнашиванию

Нетрудно заметить, что в основу классификации Б. И. Костецкого положены металлографические исследования состояния мик­ рообъемов поверхностных слоев трущихся деталей.

Так как установившихся единых взглядов на природу изнаши­ вания пока нет, то в специальной литературе можно встретить и другие классификации видов изнашивания на различные группы или виды (А. К. Зайцев, Д. В. Конвисаров, И. В. Крагельский, В. Д. Кузнецов и др.). Несколько подробнее остановимся на клас­ сификации, предложенной Е, А. Чудаковым, более или менее пол­

27

но охватывающей изложенные выше точки зрения и наиболее приемлемую для практического использования при решении вопро­ сов, связанных с изучением изнашивания деталей инженерных машин. В соответствии с этой классификацией естественное изна­ шивание может иметь следующие виды: механическое, абразивное и усталостное разрушение, а также изнашивание деталей, связан­ ное с возникновением химических или электрохимических явлений (коррозия).

Механическое изнашивание является следствием действия на­ гружающих сил и трения сопряженных деталей при взаимном их перемещении. На поверхности деталей, какой бы высокой чистотой обработки они ни обладали, всегда имеются микронеровности (рис. 2). При относительном перемещении трущихся поверхностей

Рис. 2. Профилограммы стальной шлифован­ ной поверхности в двух взаимно перпендикуляр­ ных направлениях. Масштабы по осям ординат и абсцисс различны: а — масштабы по осям ор­ динат и абсцисс различные; б — профиль одной

волны, когда масштабы по осям одинаковые

часть микровыступов подвергается упругим деформациям, пласти­ ческим сдвигам, смятию, изгибу или разрушению. Из-за наличия микронеровностей фактическая площадь соприкосновения тру­ щихся деталей составляет всего лишь 0,001—0,01 контурной пло­ щади поверхности контакта. Вследствие этого фактические удель­ ные нагрузки на отдельные выступы могут в сотни раз превышать расчетные для данной детали. При расчетной удельной нагрузке на подшипник скольжения в 30 кГ/см2 (3 Мн/м2) фактическое удельное давление в отдельных точках поверхности может дохо­ дить до 30 000 кГ/см2 (3000 Мн/м2). При быстром возникновении больших удельных нагрузок микрообъемы выступов трущихся по­ верхностей нагреваются до температуры 450—1000° С, что может сопровождаться образованием металлических связей и их разру­ шением, иногда с вырывом глубинных слоев металла, в резуль­ тате чего на поверхностях трения часто обнаруживают наплывы, задиры, царапины и другие дефекты, являющиеся признаком наи­ более неблагоприятных условий изнашивания. Воздействие высо­ ких давлений и температур сопровождается структурными измене­ ниями микрообъемов металла поверхностных слоев деталей, что

28

может также привести к повышению интенсивности изнашивания. Процесс разрушения и сглаживания микровыступов и образования новых микрошероховатостей будет продолжаться интенсивно до тех пор, пока не установится оптимальная для данных условии работы детали их высота, зависящая от характера нагружения, материала детали, вида смазки и качества применяемых смазоч­ ных материалов.

ность и качество приработки в значительной степени зависит от правильного нагружения деталей

вэтот ответственный период эксплуатации машины.

II. Период установившегося изнашивания (участок АВ). Ха­ рактеризуется постоянством отношения величины износа к времени,

изнашивания:

где i — интенсивность изнашивания,

Д« — приращение износа за время Д7'.

Отношение линейной величины износа к времени работы ма­ шины называется скоростью изнашивания, а весового износа к времени работы — интенсивностью изнашивания.

Скорость или интенсивность являются основными характери­ стиками изнашивания. Чем ниже интенсивность или скорость из­ нашивания, тем более продолжителен срок службы детали. К сни­ жению скорости или интенсивности изнашивания деталей, в конеч-

29

■ном счете, сводятся все мероприятия, направленные на увеличение срока службы машин.

III. Период аварийного изнашивания (участок ВС). Характе ризуется резким увеличением износа и зазоров в сопряжениях (в 1,5—2 раза больше проектных). При больших зазорах ухудша­ ются условия смазки, возрастает энергия удара работающих по­ верхностей, появляются стуки и шумы. В результате ударов рабо­ чие поверхности деталей приобретают наклеп и повышенную хруп­ кость, что в свою очередь увеличивает интенсивность изнашивания.

По экспериментальным данным, скорость механического из­ нашивания зубьев зубчатых передач машин инженерного воору­ жения составляет 0,3—0,5 мк/час. Основными направлениями сни­ жения интенсивности механического изнашивания являются выбор оптимальной чистоты обработки трущихся поверхностей, повыше­ ние их твердости, качества смазки и т. д.

Детали сопряжения с гарантированным натягом, например шейка вала — кольцо подшипника, не имеют приработки и износ их наступает по истечении времени работы t, т. е. когда посадка из неподвижной переходит в подвижную. Для деталей этих сопря­ жений протекание износа во времени будет происходить по кривой, показанной на рис. 3,6.

Другие детали, например шейки валов под сальники, режущие элементы рабочих органов, имеют износ, характеризуемый кривой, представленной на рис. 3,в, у которой имеется первый участок по­ вышенного изнашивания, но нет участка катастрофического нара­ стания износа.

Абразивное изнашивание является следствием воздействия аб­ разивных частиц на рабочие поверхности деталей. Постепенное из­ менение размеров детали происходит в результате режущего и царапающего действия этих частиц или в результате многократ­ ного пластического передеформирования и усталостного отделения микрообъемов металла, так как не каждая частица может цара­ пать или резать металл. Интенсивность абразивного изнашивания определяется сопротивлением материала детали смятию при внед­ рении абразивных частиц или отделению микрообъемов металла.

По характеру взаимодействия абразивных частиц с рабочими поверхностями деталей различают пять схем фрикционных кон­ тактов и, в соответствии с этим, видов абразивного изнашивания: изнашивание деталей абразивной средой, при трении скольжения, изнашивание деталей абразивной прослойкой при трении сколь­ жения, изнашивание деталей абразивной, прослойкой при трении качения, изнашивание деталей потоком абразивных частиц и гид­ роабразивное изнашивание.

Абразивное изнашивание сопутствует работе большинства ма­ шин инженерного вооружения. В процессе работы машин (особен­ но дорожных, землеройных и строительных.) детали их всегда окружены абразивными частицами, имеющимися в грунте, строи­ тельных материалах, а иногда и в смазке.

30

Абразивные частицы проникают в зазоры между деталями, рез­ ко увеличивая их износ. В этих случаях износ детален зависит не только от передаваемой нагрузки, количества попавшего абрази­ ва, размера абразивных частиц, их физических и других свойств, но и от пути трения частиц относительно каждой из сопряжен­ ных деталей, от соотношения поверхностных твердостей и других характеристик материалов сопряженных деталей. Абразивные час­ тицы могут образовываться и в самой машине за счет появления твердых продуктов износа. При изнашивании деталей инженер­ ных машин встречаются все виды абразивного изнашивания. Фак­ торы, определяющие интенсивность абразивного изнашивания при

нии режущих элементов рабочих органов землеройных и дорож­ ных машин, II — при изнашивании направляющих, подшипников скольжения или шеек валов (при попадании абразивных частиц в смазку), шарниров гусеничных цепей, деталей смесительных уст­ ройств, III — при изнашивании открытых зубчатых передач, веду­ щих звездочек и опорных катков гусеничной ходовой части, под­ шипников качения, IV — при изнашивании метателей землеройных машин, сопел пескоструйных и дробеструйных аппаратов, деталей пневматического инструмента, V — при изнашивании деталей гид­ ронасосов, гребных винтов десантно-переправочной техники, дета­ лей гидравлических систем.

Абразивное изнашивание является одним из наиболее интен­ сивных видов изнашивания, возникновение которого (там где это возможно) .следует предупреждать как конструктивными, за счет применения эффективных уплотнений и качественной очистки смазки, так и эксплуатационными, за счет своевременной замены уплотнений, фильтрующих элементов и т. д., мероприятиями.

По экспериментальным данным, скорость изнашивания ножей

БТМ соответственно 60"—70 мк/час и 30—40 мк/час, опорных кат­ ков ротора — 40—50 мк/час.

Там, где абразивное изнашивание не может быть предотвра­ щено, интенсивность его необходимо снижать выбором соответст­ вующего условиям работы износостойкого материала или способа упрочнения рабочих поверхностей деталей термической обра­ боткой, наплавкой или нанесением другого износостойкого по­ крытия.

При снижении интенсивности абразивного изнашивания следует иметь в виду эффект «шаржирования», заключающийся в том, что абразивные частицы при соответствующих условиях внедряются в рабочую поверхность одной из сопряженных деталей, имеющую меньшую твердость, повышая тем самым скорость изнашивания более твердой детали. Поэтому, кроме общего повышения твердо­ сти рабочих поверхностей сопряженных деталей, необходимо ис-

31