11. Види зношування та дефектів деталей і вузлів машин

Виявлення дефектів, ремонт та модернізація машин

11.1. Зношування деталей та вузлів машин

Термін служби обладнання визначається в основному швидкістю зношування його деталей та інтенсивністю втрати механізмами первісних функціональних та експлуатаційних характеристик. Зношуванням називають процес руйнування та відокремлення матеріалу з поверхні твердого тіла, необоротний процес зміни форми, розмірів та стану поверхонь деталей машини під час її експлуатації. В залежності від умов роботи одні деталі зношуються швидше, інші повільніше. Основними видами зношування є [14]: механічне, при заїданні та окисне.

Перший вид зношування поверхневого шару матеріалу деталей, які разом працюють є результатом механічних впливів, внаслідок яких відбувається стирання та зрізання контактуючих поверхонь. Інтенсивність механічного зношування істотно збільшується при наявності на поверхнях тертя абразивного пилу, сторонніх твердих частинок, що призводить до утворення на них подряпин. Крім цього, величина та характер зносу деталей залежать від фізико-механічних властивостей верхніх шарів матеріалу, з якого вони виготовлені, значення контактного тиску, відносної швидкості переміщення з’єднуваних поверхонь, умов їх змащення, параметрів шорсткості тощо. Окрім зношування, обумовленого відносним переміщенням контактуючих деталей, можливе зминання їх поверхневих шарів, що характерно для шліцьових, шпонкових, різьбових та інших з'єднань.

Під час роботи машин ряд їх деталей, в тому числі вали, зубчасті колеса, шатуни, підшипники, пружини і т.д., піддаються впливу змінних навантажень, що призводить до значно інтенсивнішого зниження їх міцності, ніж під дією статичних навантажень. Вплив циклічних навантажень викликає втомлювальне зношування та руйнування деталей з утворенням на їх поверхнях зон тріщин та зламу. Поверхня зони тріщин є гладкою, а поверхня зони зламу – зернистою або з раковинами. Такий вигляд зношених поверхонь говорить про те, що причиною поломки є втома. Для запобігання руйнуванню від втоми необхідно правильно вибрати розміри поперечного перерізу з’єднуваної деталі, форма якого повинна бути по можливості без різких переходів від одної ділянки до іншої. Слід до цього ж враховувати, що наявність на обробленій поверхні рисок та подряпин може також спричинити виникнення втомлювальних тріщин.

Зношування при заїданні відбувається в результаті схоплювання однієї поверхні з іншою, а також глибинного виривання матеріалу. Таке зношування є причиною недостатнього змащення та значного питомого тиску в зоні щільного контакту двох поверхонь, внаслідок чого на них починають діяти міжмолекулярні сили. Схоплювання відбувається також і при високих швидкостях ковзання або у випадках впливу на поверхні тертя значних тисків, в результаті чого їх температура суттєво зростає.

Окисне зношування поверхонь деталей відбувається у тих випадках, коли вони піддаються безпосередньому впливу води, повітря, хімічних речовин та коливань температури. Так, недопустиме підвищення температури повітря у виробничому приміщенні призводить до того, що водяні пари, які в ньому містяться, вступають у контакт з холоднішими металевими деталями та осаджуються на них у вигляді конденсату. Останнє викликає корозію металу, тобто обумовлює початок з'єднання металу з киснем повітря та руйнування деталей з втратою ними механічної міцності. Описані явища мають місце при роботі деталей шліфувальних, електрохімічних та інших верстатів, що працюють у контакті з водоемульсійними охолодними рідинами. Внаслідок того, що контакт ряду деталей того чи іншого вузла машини є безпосереднім, корозійне зношування звичайно супроводжується й механічним впливом. У цьому випадку відбувається так зване корозійно-механічне зношування.

Про наявність помітного зносу тих чи інших деталей обладнання можна судити за зміною характеру їх роботи. Наприклад, підвищений шум у зубчастих передачах є ознакою зношування профілю їх зубців. Недопустиме зношування шліцьових та шпонкових з'єднань проявляється у вигляді різких поштовхів при зміні напрямку обертання або лінійного переміщення виконавчих елементів машини, що приводяться в рух з їх допомогою. За рівнем шуму можна оцінити і стан вузлів з підшипниками кочення. Діагностування проводять за допомогою спеціального приладу – стетоскопа. При його відсутності можна скористатись металевим прутком, що прикладають закругленим кінцем до вуха, а загостреним – до точки поверхні вузла, яка є найближчою до підшипника. При нормальній роботі останнього буде чутний лише слабкий шум, рівномірне тонке дзижчання. Різкий дзвінкий шум або свист вказують на те, що у підшипнику відсутнє мастило або тіла кочення занадто сильно затиснені між біговими доріжками внутрішнього та зовнішнього кілець. Інтенсивний шум, (часті дзвінкі, стукотіння) свідчить про те, що на кульках, роликах або кільцях виникли раковини або у підшипник потрапив абразивний пил чи бруд. Глухі удари вказують на ослаблення посадки підшипника у корпусі або на валу.

Факт істотного зношування складальних одиниць машини можна установити не тільки на слух, але й за виглядом поверхонь заготовки, оброблених на неї. Наприклад, наявність на останніх після здійснення токарної обробки рівномірно розташованих кільцевих виступів або западин свідчить про знос зубців рейкового колеса та рейки механізму поздовжньої подачі верстата, внаслідок чого рух його супорта стає більш переривчастим. Даний дефект обробки часто обумовлюється також і зношуванням поверхонь напрямних станини та каретки супорта, що призводить до порушення співвісності отворів у фартуху та коробці подач для установлення ходового вала; крім цього, недопустимо змінюється зазор у рейковій передачі.

Збільшення величини «мертвого» ходу рукояток поздовжньої або поперечної подачі супорта або столу верстата свідчить про зношування різьби відповідних гвинтів та гайок. У даному випадку під мертвим ходом розуміють певний кут, при повороті на який рукоятки керування переміщення, пов’язаного з нею виконавчого елемента машини не відбувається.

Для оцінювання значення зносу поверхонь тертя базових деталей обладнання рекомендується застосовувати метод «штучних баз». При реалізації методу на поверхнях, які піддаватимуться зношуванню, заздалегідь витискають лунки певної форми (рис. 11.1). На зміну режиму тертя вони практично не впливають, внаслідок відносно малих розмірів: глибина 50 – 75 мкм, довжина 1,7 – 2 мм, відстані між сусідніми лунками 100 – 200 мм. Виконують лунки за допомогою алмазної піраміди (спосіб відбитків), або з використанням обертового твердосплавного ролика (спосіб «витирання»). Другий спосіб є досконалішим, оскільки при його реалізації по сторонах лунки не відбувається спучування металу, що дозволяє точніше виконувати вимірювання. За величиною зменшення глибини лунки протягом певного часу роботи верстата, судять про значення зносу. Глибина лунки визначається за формулою

h = L²/8·r,

деL – довжина лунки;

r – радіус кривизни поглиблення.

У випадку використання способу «витирання» лунки можна виконувати за допомогою приладу ПВЛ-2 (рис. 11.2). Прилад приєднують до освітлювальної мережі машини та установлюють на зношувану поверхню її базової деталі з таким розрахунком, щоб ролик 1, закріплений на оправці 2, контактував з ділянкою, на якій необхідно виконати лунку. За допомогою вимикача 9 вмикають лампу освітлювача 7 та електромагніт 8, що забезпечує жорстку фіксацію положення приладу на базовій поверхні. Далі на останню наносять дві-три краплі окислювача (1%-го розчину К₂Crо₄ у воді); вмикають електродвигун 3, вал якого пов’язаний з оправкою 2. Шляхом повороту рукоятки 6 наближають ролик 1 до базової поверхні із забезпеченням «витирання» на ній лунки.

ДовжинуL лунок вимірюють із застосуванням приладу МИБ-2, що являє собою відліковий мікроскоп з мікрометричним гвинтом.

На поверхнях напрямних машин лунки виконують ближче до їх середини і у напрямку, що є перпендикулярним напрямку руху по напрямних виконавчих елементів. Останнє забезпечує збереження чіткості кромок лунок при зношуванні.

Допустиму величину зносу напрямних станин токарно-гвинторізних та свердлильно-фрезерних верстатів нормують залежно від заданих точності та розмірів оброблюваних на них заготовок. Якщо знос напрямних перевищує 0,2 мм, вібростійкість обладнання значно знижується, і хоча, згідно із умовами забезпечення заданої точності обробки заготовок, можливе продовження його використання, доводиться зупинити машину на капітальний ремонт у зв'язку із погіршенням якості оброблюваних поверхонь (утворення на них слідів, обумовлених інтенсивними вібраціями виконавчих елементів у процесі роботи) або внаслідок зменшення продуктивності.

Допустима величина зносу напрямних поздовжньо-стругальних та поздовжньо-фрезерних верстатів може бути визначена за формулою

U_max = δ(L₀/L₁)²,

де δ – похибка обробки на верстаті (допуск на відповідний розмір деталі), мм;

L₀ – довжина напрямних станини, мм;

L₁ – довжина оброблюваної заготовки, мм.

Для плоских напрямних значення зносу дорівнює відстані по вертикалі від деякої умовної прямої, що проходить через точки на незношених кінцях напрямних, до зношеної поверхні. Для верстатів з напрямними V-подібного або трикутного поперечного перерізу з кутом основи α допустима величина зносу обчислюється як

U_max = δ cosα (L₀/L₁)².

При експлуатації автоматичних ліній, що включають велику кількість контрольованого обладнання, доступ до поверхонь тертя якого з метою оцінювання їх зносу є обмеженим, поряд з методом «штучних баз», застосовують метод поверхневій активації. У випадку реалізації останнього робочі ділянки поверхонь напрямних верстатів, шпиндельних вузлів, зубчастих, гвинтових та черв'ячних передач, інших відповідальних механізмів піддають поверхневій активації у циклотронах пучком прискорених заряджених частинок (протонів, нейтронів, альфа-частинок). Глибина активованого шару повинна відповідати передбачуваній величині лінійного зносу деталі. Для контролю великогабаритних деталей використовують спеціальні попередньо активовані вставки. Про величину зносу активованих поверхонь судять, періодично вимірюючи енергію випромінювання.

Одним з основних заходів зменшення інтенсивності зношування деталей машин є змащення поверхонь тертя, які в результаті розділюються шаром мастила і таким чином дрібні нерівності (шорсткості) на них не контактують між собою. Реалізація циркуляційного змащення сприяє кращому відведенню тепла, видаленню із зони контакту сторонніх частинок та продуктів зношування, а також захисту деталей від корозії, ніж здійснення періодичного нанесення мастила вручну.