Дефекти деталей машин
Освіта і розвиток несправностей деталей машин, механізмів і комунікацій пояснюється дією об'єктивно існуючих закономірностей. Несправності з'являються в результаті постійного або раптового зниження фізико-механічних властивостей матеріалу, його стирання, деформування, що зім'яло, корозії, старіння, перерозподілу залишкових напруг і інших причин, що викликають, в кінцевому підсумку руйнування конструкції. Практично будь-яка несправність є наслідком зміни складу, структури або механічних властивостей матеріалу, конструктивних розмірів деталей і стану їх поверхонь.
Поява несправностей обумовлено конструктивними, технологічними і експлуатаційними чинниками [1].
До конструктивних факторів належать: розрахункові навантаження, швидкості відносного переміщення, тиску, матеріали, їх фізико-механічні характеристики і структура, конструктивне виконання деталей і складальних одиниць, шорсткість і твердість поверхонь.
Технологічними факторами є прийоми, способи, точність і стабільність отримання деталей і заготовок, види механічної, термічної, упрочняющей і фінішної обробки при їх виготовленні, правильність складання, регулювання, підробітки та випробування вузлів, агрегатів і машин.
Експлуатаційні фактори мають вирішальний вплив на збереження працездатності устаткування, які забезпечуються їх конструкцією і технологією виготовлення. До експлуатаційних відносяться фактори, які визначаються призначенням конструкції, її навантажувальними та швидкісними режимами, а також інтенсивністю експлуатації; які не залежать від призначення машини (умови експлуатації, своєчасність і повнота технічного обслуговування і ін.).
Різний термін служби (ресурс) деталей обумовлений багатьма причинами, основними з яких є наступні:
1. Різноманітність функцій деталей в машині [2].
2. Широкий діапазон зміни діючих на деталі навантажень.
3. Наявність як активних (рухомих), так і пасивних (нерухомих) деталей.
4. Різноманітність видів тертя в сполученнях, використання в сполученнях деталей з різних матеріалів, викликане необхідністю зниження сил тертя.
5. Відхилення у властивостях матеріалів, точність і якість обробки деталей, що сполучаються; умови експлуатації.
Несправність обладнання можна розділити на три групи: знос, механічні пошкодження і хіміко-теплові пошкодження.
Знос деталей машин визначаються тиском, циклічними навантаженнями, режимом змазування і ступенем його стабільності, швидкістю переміщення поверхонь тертя, температурним режимом роботи деталей, ступінь агресивності навколишнього середовища, якістю обробки і станом поверхонь тертя і т.д.
Залежно від умов роботи всі деталі по виду зношування можна розбити на п'ять груп.
До першої групи - деталі ходової частини мобільних машин, для яких основним фактором, що визначає їх довговічність, є абразивне зношування.
До другої групи - деталі, у яких основним фактором, що лімітує довговічність, є знос внаслідок пластичного деформування.
До третьої групи - деталі, для яких домінуючим фактором є корозійно-механічне або молекулярно-механічне зношування.
До четвертої групи - деталі, довговічність яких лімітується межею витривалості.
До п'ятої групи-деталі, у яких довговічність залежить одночасно від зносостійкості поверхонь тертя і межі витривалості матеріалу деталей.
Деякі деталі мають кілька робочих поверхонь, що працюють в різних умовах. За найбільш зношується поверхні або найбільш ймовірного ознакою руйнування ці поверхні слід віднести до тієї групи, по якій лімітується термін служби деталі.
Інтенсивність наростання зносу деталей і зміна зазорів рухливих сполучень в залежності від тривалості роботи відбуваються в певній закономірності.
Перший період характеризується інтенсивним наростанням зносу за порівняно малий період роботи - це час підробітки деталей. Знос в цей період багато в чому залежить від шорсткості поверхні деталей, умов змащування і навантаження. З ростом шорсткості робочої поверхні, а також зі збільшенням навантаження в початковий період роботи знос деталей значно підвищується.
Другий період, найбільший за протяжністю, відповідає нормальній роботі деталей і сполучень. За час нормальної експлуатації знос деталей збільшується на порівняно невелику величину, часто звану природним зносом. Інтенсивність зношування при цьому багато в чому залежить від умов експлуатації, а також від своєчасності і якості проведеного технічного обслуговування.
Третій період характеризується інтенсивним наростанням зносу деталей внаслідок збільшуються зазорів в сполученнях. Робота сполучень з спрацювання, що перевищує допустиме значення, як правило, характеризується порушенням умов змащення, супроводжується перегрівом деталей, появою шумів і стукотів і часто закінчується аварійним руйнуванням. Такі знос називаються граничними. Деталі, що мають граничні зношення, до роботи не допускаються; вони повинні бути відновлені або замінені новими.
Таким чином, знаючи закономірність наростання зносу деталі або збільшення зазору сполучення, можна легко визначити граничні та допустимі знос деталей або зазори сполучення.
Граничним зносом називають знос, відповідний граничного стану зношується вироби.
Допускаються зносом називають знос, при якому виріб може зберегти працездатність протягом міжремонтного періоду.
Значення допустимої зносу завжди відповідає другого періоду нормальної експлуатації.
Механічні пошкодження. До таких пошкоджень відносяться тріщини, пробоїни, ризики і задираки, викришування, поломки і обломи, вигини, вм'ятини і скручування.
Тріщини утворюються в результаті впливу значних місцевих навантажень, ударів і пере навантаження. Тріщини часто виникають на чавунних деталях і на деталях, виготовлених з листового матеріалу. Крім тріщин, що виникають в результаті впливу сил ударного характеру, з'являються втомні тріщини в найбільш напружених місцях деталей (тривалий вплив знакозмінних навантажень). Можуть бути тріщини і теплового походження.
Пробоїни з'являються в результаті ударів різних предметів про поверхні тонкостінних деталей.
Ризики і Надир на робочих поверхнях деталей частіше утворюються внаслідок забруднення мастила або абразивного дії чужорідних частинок.
Викришування - дефект, характерний для поверхонь деталей, підданих хіміко-термічній обробці, що з'являється внаслідок динамічних ударних навантажень в процесі експлуатації. Викришування може відбуватися і в результаті втомних напружень.
Поломки і обломи виникають при сильних ударах про деталі; часто спостерігаються на литих деталях. Можуть виникати також в результаті втоми металу.
Вигини і вм'ятини характеризуються порушенням форми деталей і відбуваються в результаті ударних навантажень.
Скручування деталей виникає від впливу великого крутного моменту, пов'язаного з подоланням тимчасових значних опорів при роботі.
Хіміко-теплові пошкодження. У порівнянні з іншими ушкодженнями хіміко-теплові пошкодження деталей зустрічаються рідше і виникають, як правило, в результаті складних взаємодій при важких умовах експлуатації машин. До таких пошкоджень відносяться: викривлення, корозія, раковини, утворення нагару і накипу, електроерозійне руйнування і т. Д.
Викривлення деталей відбувається в результаті впливу високих температур (частіше при порушенні правил експлуатації машин), що призводять до виникнення структурних змін і великих внутрішніх напружень.
Оцінювати і прогнозувати процеси розвитку місцевої корозії практично неможливо; тому вона в багатьох випадках призводить до раптового виходу конструкції з ладу. Значно знижують працездатність конструкції такі види виборчої корозії, як межкристаллитная і ножової корозії. Міжкристалітної корозії характерна для конструкцій, виготовлених з корозійностійких хромової і хромонікелевої сталей.
Одним з видів руйнування є корозійні втому і розтріскування. Корозійна втома виникає при одночасному впливі циклічних напруг, що розтягують і агресивного середовища і обумовлена значним зниженням межі витривалості в специфічних умовах в порівнянні з межею витривалості цих металів на повітрі. Корозійне розтріскування спостерігається при одночасному впливі корозійного середовища і зовнішніх або внутрішніх напруг, що розтягують з утворенням транскристаллитного або міжкристалічних тріщин.
На схильність до утворення корозійних тріщин суттєво впливають: середа, тиск і температура, фізико-хімічні властивості металу, величина і характер розподілу напруг, що розтягують і т. П.
Корозійне розтріскування низьковуглецевих і низьколегованих сталей спостерігається в лужних розчинах, при температурах вище 40 ° С. В цьому випадку, розтріскування відбувається при розтягуючих напруг, близьких до межі плинності.
Хромонікелеві корозійно-стійкі сталі, найбільш часто піддаються транскристаллитного корозійного розтріскування в хлорвмісних середовищах при підвищених температурах (вище 60 ° С), що є характерним для багатьох апаратів хімічних технологій.
Різноманітність умов експлуатації обумовлює різні види зношування робочих поверхонь деталей машин і апаратів. Характерними видами зношування є абразивний, корозійно-механічне, гідроабразивне, гідроерозіонное і кавітаційне.
Найбільш поширений вид руйнування обладнання-корозійно-механічне зношування, що відбувається в результаті механічних впливів, що супроводжуються хімічним або електрохімічним впливом середовища на метал. В результаті спільного впливу механічного та корозійного факторів в поверхневих шарах відбуваються взаємопов'язані явища, що сприяють активації процесів пружно деформування, хімічних і електрохімічних реакцій і т.д.
До найбільш поширеного виду корозійно-механічного зношування відносять, руйнування металів при терті в корозійної середовищі, яке відбувається при одночасній дії на поверхню металу корозійного середовища і сил тертя.
Гідроабразивне зношування відбувається під впливом на поверхню металу абразивних частинок, зважених в рідини і переміщаються щодо зношуються поверхні. Гідроабразивне зношування відбувається при наявності значної кількості абразивних частинок в складі технологічного середовища. При впливі швидкісних потоків технологічних середовищ на поверхню трубопроводів, деталей насосів, запірної і регулюючої арматури та інших поверхонь, виникає руйнування металу внаслідок ударних впливів турбулентних струменів - гідроерозіонное зношування. Його різновиди - корозія при гідравлічних ударах і кавітаційне зношування.
Кавітаційне знос металу відбувається в результаті впливу на його поверхню мікроударних навантажень, що виникають при утворенні і закритті кавітаційних порожнин і пухирців.
Раковини (вигоряння) утворюються в результаті місцевих температурних впливів на поверхні деталі, наприклад раковини на корпусних поверхнях (фасках) випускних клапанів і т.д.
Нагар утворюється в результаті взаємодії сильно нагрітих газів і продуктів згоряння палива і масел на поверхнях деталей. Утворився нагар погіршує умови теплопередачі і в деяких випадках призводить до перегріву деталей і утворенню на них тріщин.
Накип на стінках сорочки блоку з'являється в результаті використання в системі охолодження двигунів води з малорозчинними в воді солями магнію і кальцію і механічними домішками.
Електроерозійне руйнування виникає в результаті впливу на поверхні деталей іскрових розрядів. Електрони, що вилітають з катода, вибивають з поверхні анода частки металу, які розсіюються в навколишньому середовищі і частково переносяться на катод. Такі пошкодження виникають на електродах свічок, на контактах електричних приладів (переривників, розподільників, магнето і ін.), На колекторах генераторів і стартерів і т. П.
Існує значна номенклатура деталей і інших елементів машин, які зношуються і руйнуються по маловивченим закономірностям. Існують також несправності, пов'язані зі зниженням тих чи інших експлуатаційних властивостей деталей, коли внаслідок динамічних навантажень і теплового впливу вони без видимих зовнішніх пошкоджень втрачають працездатність, порушуючи тим самим нормальну роботу агрегатів, і часто викликають аварію машин.
Несправності деталей по ймовірності їх появи можна розділити на три види: залежні, рівноможливими і незалежні (або випадкові).
Поява однієї з залежних несправностей обов'язково викличе появу іншої залежною несправності або буде супроводжувати останньої.
Рівноможливими несправності виникають без закономірного зв'язку один з одним, але кожна з них окремо повинна з'явитися на деталі обов'язково (закономірно). Ймовірності появи таких несправностей приблизно рівні.
Випадкові несправності виникають незалежно від інших несправностей деталі. Вони носять випадковий характер і при експлуатації деталей можуть і не з'явитися.
За характером виникнення залежні і рівноможливими несправності можуть бути результатом природного зношування, а випадкові - результатом тільки аварії.
Взаємозв'язок несправностей дозволяє достовірно визначати на зношених деталях закономірні поєднання несправностей, групувати деталі з великим числом різних поєднань несправностей в невелике число маршрутів і складати технологічний процес на спільне усунення комплексу дефектів.