2. Закономірності і зміни технічного стану машин

З плином часу в машини, яка виконує роботу, зменшуються тягове зусилля, вантажопідйомність, робочі швидкості, продуктивність і економічність; збільшуються опір робочих органів, витрата паливно-мастильних матеріалів, час на виконання робіт; погіршується якість виконання робіт і умови праці - надійність машини знижується.

Головною причиною цього є зношування деталей, яке змінює розміри і форму деталей, їхнє взаємне розміщення в спряженні, механізмі і складальній одиниці. Це викликає несправності і відкази в машинах - деформації, руйнування, зміну властивостей матеріалів деталей.

Зношування — це безперервний процес, вид і інтенсивність якого залежать від дії тертя, динамічних і фізико-хімічних факторів, оточуючого середовища тощо.

Розрізняють такі основні види зношування деталей машин: механічне, хімічне, електрохімічне, теплове, електроерозійне.

Механічне зношування - це стирання (диспергування) і зминання (пластична деформація) контактуючих поверхонь при їх відносному переміщенні. При відносному переміщенні поверхонь тертя мікронерівності зрізаються і видаляються. Зношуванню поверхонь тертя сприяє їх різна твердість, внаслідок чого твердіші складові вгрузають у менш тверді.

Зминання - це наслідок дії тертя і підвищення при цьому температури, при яких окремі нерівності пластично деформуються. При цьому можуть виникати молекулярні взаємодії, внаслідок чого відбувається виривання матеріалу в місцях охоплення. Охоплення характеризується глибинним вириванням матеріалу, перенесенням його з однієї поверхні на іншу, внаслідок чого виникає заїдання або заклинювання від одночасної дії механічних і молекулярних сил тертя. Це зношування називається молекулярно-механічним.

Абразивне зношування відбувається внаслідок зскрібання з поверхні деталі частинок металу, дії на її поверхню твердих частинок, занесених у зону тертя потоком рідини, повітря або газ, а також безпосереднього контактування з абразивним середовищем (робочі органи сільськогосподарських машин, ходові частини гусеничних машин і т.ін.).

Корозійне зношування відбувається без тертя, а внаслідок взаємодії металу з киснем повітря, атмосферною вологою і хімічно активним середовищем та при контакті двох різних металів. На поверхнях тертя корозія викликає механічне руйнування оксидної плівки на дрібні частинки (випускні клапани, клапанні гнізда тощо). На незахищених від атмосферної вологи поверхнях деталей машин утворюється плівка окислів - іржа, яка знижує фізико-хімічні властивості металу й призводить до прискореного руйнування поверхні деталі. При безпосередньому контакті деталі з оточуючим хімічно активним середовищем, рідинним або газовим, створюються умови для утворення агресивних кислот, які руйнують деталі (згорання палива з високим вмістом сірки).

При контакті двох різних металів утворюються гальванічні пари (матеріал з меншим потенціалом є анодом, інший - катодом). Зношуватиметься (кородуватиме) матеріал з меншим потенціалом (рухомі контакти електрообладнання, приладів).

Істотної шкоди зносостійкості машин завдає мікрогальвано-корозія, оскільки атмосферна волога утворює електроліт у мікролунках (тріщинах) на поверхні металевих сплавів (сталь, чавун), в яких у контакті знаходяться мікроскопічні кристали двох або більше різних металів і металоїдів. У таких мікротріщинах ваннах з неоднорідних частинок виникають гальванічні пари Анодом служить, як правило, залізо, а катодом - включення графіту, цементиту та ін. На аноді відбувається корозійне окислення металу з наступним утворенням бурої іржі - сполуки Fe₂0₃-H₂0.

Окислювальне зношування відбувається при терті ковзання і кочення (в підшипниках). На початковій стадії зношування окислення відбувається у поверхневих шарах, у другій стадії воно поширюється на всю глибину шару пластичної деформації. У першій стадії зношування на поверхнях тертьових деталей утворюються тверді розчини кисню в металі, у другій стадії хімічні сполучення кисню з металом, внаслідок чого структура поверхневого шару значно змінюється і під силою тертя викришується.

Теплове зношування відбувається під дією тепла, що утворюється внаслідок тертя поверхонь при великих швидкостях ковзання і великих тисках. Тепло нагріває поверхневий шар металу в якому виникають структурні перетворення. При цьому відбувається розм'якшення металу, пластичні деформації, контактне охоплення, налипання металу і навіть плавлення його поверхневих шарів.

Структура металу ділянок деталей, що знаходяться в зоні високих температур, з часом погіршується, стає більш крупнозернистою, виникають мікротріщини й окислення його структурних складових. Тепловому зношуванню підлягають днища поршнів, клапани деталі топок кормоготувальних машин т. ін.

Кавітаційне зношування відбувається від багаторазових ударів рідини у поверхні деталі у вигляді кумулятивних струменів, що рухаються з великою швидкістю. Ці струмені виникають при закриванні бульбашок, що утворюються на поверхні деталі внаслідок вібрації останніх або після розриву потоку рідини. Багаторазові удари струменів рідини по одному й тому ж місцю металу призводять до його місцевого руйнування й утворення заглибин або й наскрізних отворів (лопат і корпусів відцентрових насосів).

Електроерозійне зношування відбувається від проскакування електричних іскрових зарядів з одної частини деталі на іншу, які мають вибуховий характер, при якому відбувається виривання частинок металу й перенесення його з аноду на поверхню катоду. До таких деталей належать електроди свічок запалювання, контакти переривників і розподільників, щітки і колектори стартерів і т. ін.

Зношування від утомленості виникають внаслідок дії знакозмінних або циклічних навантажень, які перевищують границю плинності поверхневих шарів металу. На поверхні утворюються мікро- і макротріщини, а також віспоподібні заглибини, що виникають внаслідок викришування частинок металу з поверхонь тертя в місцях концентрації знакозмінних або пульсуючих напружень. Цей вид зношування характерний для шарикових і роликових підшипників, зубців шестерень та інших подібних за умовами роботи деталі.

Зношування при фретингу відбувається на спряжених поверхнях в умовах складного динамічного навантаження при невеликих коливальних відносних і зворотно-поступальних переміщеннях - складний вид деформації. Цього виду зношування зазнають шестерні, шліци валів, посадочні поверхні підшипників кочення, отвори під підшипники, послаблені болтові та заклепочні з'єднання рам та ін.

Деформації деталей відбуваються від дії підвищених зовнішніх навантажень, які проявляються в згинанні деталей, скручуванні, а також від дії надлишкових ливарних і термічних внутрішніх напружень. Ці дії порушують геометричну точність форми та взаємного розміщення базових і робочих поверхонь: співвісність, паралельність, перпендикулярність, площинність жолоблення тощо. Внаслідок деформацій порушується взаємне розміщення деталей у складальних одиницях, а складальних одиниць на несучій конструкції машини. Особливо небезпечні деформації базисних (корпусних) деталей: блоків і головок циліндрів, корпусів коробок передач, задніх мостів, редукторів, рам і т. ін., а також силових деталей: колінчастих валів, шатунів, валів і осей, важелів, кронштейнів тощо. Це призводить до інтенсивного зношування машини в період її експлуатації.

Пошкодження. Внаслідок надлишкових механічних дій зовнішніх і внутрішніх сил, при ударах і підвищеному нагріванні в деталях виникають тріщини, пробоїни, риски і надири, викришування, поломки та обломи, вигини й скручування, втомленість. Погіршення теплового режиму охолодження, неповне згорання паливних матеріалів, невчасне обслуговування сприяє відкладенню на деталях накипу і нагару, смолистих, абразивних та інших частинок, а також бруду.

Тріщини й пробоїни. Тріщини утворюються під дією значних місцевих навантажень, ударів, перенавантажень у найбільш навантажених конструктивних елементів деталей, рам, косарок, дробарок і т. ін. Часто тріщини виникають у чавунних корпусних деталях внаслідок значного нерівномірного нагрівання, внутрішніх напружень. При тривалій дії знакозмінних навантажень виникають тріщини утомного характеру на галтелях шийок колінчастих валів, в місцях отворів рам та ін. Від вібрації утворюються тріщини в деталях з листової сталі (кабінах, капотах, крилах тощо).

Пробоїни утворюються внаслідок значних ударів у поверхню деталі, а також при замерзанні в них води - це блоки і головки циліндрів, корпуси водяних насосів, радіатори і т. ін.. Пробоїни мають, як правило, аварійний характер.

Риски і надири (ряд рисок) на робочих поверхнях деталей найчастіше утворюються внаслідок забруднення палива і мастильного матеріалу абразивними частинками (плунжерні пари, спряження циліндр - поршень, шийка колінчатого вала - вкладиш).

Викришування характерне для сталевих цементованих поверхонь деталей, воно відбувається від динамічних навантажень. Ці пошкодження притаманні зубцям шестерень при неправильному регулюванні зчеплення в зубчатих передачах і невмілому перемиканні передач, а також кулачкам механізмів (запобіжних пристроїв). Викришування може статися і внаслідок дії утомних напружень у стичних поверхнях - кулачках розподільного вала, роликах підшипників кочення тощо.

Поломки та обломи можуть виникати внаслідок аварійних ударів; часто спостерігаються на чавунних литих деталях від наявності раковин, порожнин, а в сталевих деталях від грубої механічної обробки, надрізів та наявності різі, канавок, свердлінь тощо.

Згинання, скручування і зминання відбуваються, як правило, внаслідок динамічних і концентрованих статичних навантажень; під дією крутного моменту, який перевищує границю плинності матеріалу деталі. Такі пошкодження виникають у рамах, шатунах двигунів, валів, осей, робочих органів сільськогосподарських машин, цапфах, поворотних кулаках, тягах, деталях з листового металу.