Виды изнашивания в механизмах.
Износ – это наиболее распространённый процесс качественных и количественных потерь работоспособности элементов машин.
|
 |  | ||
|
|
|
Коррозионно-механическое изнашивание - изнашивание при трении металла, вступившего в химическое взаимодействие со средой. Характеризуется образованием пленок окислов, химических соединений и последующим разрушением этих образований.
а - абразивный износ при перемещении одной микрошероховатой поверхности по другой;
б - эрозионный износ поверхности мелкими частичками, бомбардирующими ее под разными углами;
в- локальная приповерхностная усталость, фреттинг под действием знакопеременной локальной нагрузки;
1. Абразивное изнашивание— изнашивание в результате механических воздействий посредством режущего и царапающего действия твердых тел или частиц при наличии относительной скорости перемещения.
В процессе изнашивания происходят срезание с поверхности микростружек более твердыми абразивными частицами и постепенное уменьшение размеров детали.
Изношенный поршневой палец Абразивный износ на поршне – глубокие борозды в продольном направлении
Абразивные частицы, обладая большей, чем металл твёрдостью, разрушают поверхность деталей и резко увеличивают износ. Это наиболее распространённый вид изнашивания.
В технологических машинах более 60 % изнашивания имеют абразивный характер.
Основным источником абразивных частиц, попадающих в сопряжения машин, является окружающая среда.
В 1 м3 воздуха содержится от 0,04 до 5 г. пыли, которая на 60 % состоит из взвешенных частиц, имеющих размеры от 5 мкм до 120 мкм, то есть соизмеримых с зазорами в сопряжении машин.
Другим источником являются частицы собственного износа трущихся поверхностей.
Абразивное изнашивание является одним из наиболее быстропротекающих процессов разрушения рабочих поверхностей деталей.
ПРИМЕР. Детали СиДМ обладают следующими скоростями абразивного изнашивания, мм/ч.
| Зубья ковша экскаватора |  0,13 – 12,70 мм/ч
|
| Ножи скрепера | 0,13 – 2,54 мм/ч |
| Рабочие органы молотковых дробилок | 0,13 – 25,40 мм/ч |
| Дробящие плиты щековых дробилок | 0,05 – 0,5 мм/ч |
Варианты защиты узлов привода СиДМ от абразивного изнашивания:
- герметизация сопряжений с помощью уплотнительных элементов;
- обеспечение чистоты применяемых в машинах топлив, смазочных материалов и рабочих жидкостей;
- фильтрация дизельных топлив перед заправкой машин.
Методы повышения абразивной износостойкости поверхности:
| Метод | Материал детали | Формула проявления |
| Гальваническое покрытие (хромирование, никелирование) | Большинство чёрных и цветных металлов | Образование тонкого гладкого покрытия |
| Анодирование | Алюминий | Образование тонкого окисного слоя повышенной твёрдости |
| Насыщение (цементация, цианирование, азотирование) | Малоуглеродистые стали | Повышение твёрдости поверхности |
| Напыление (металлизация, наплавка порошкового металла, напыление керамики) Наклепывание поверхности (дробеструйное, накатывание роликом) | Металлические и полимерные материалы Большинство чёрных металлов | Формирование слоёв взаимосвязанных частично окисленных частиц Образование тонкого слоя повышенной твёрдости |
| Плазменная закалка | Чугун, сталь | Повышение локальной твёрдости поверхности |
| Лазерное упрочнение | Чугун, сталь | Повышение твёрдости материала детали в тонких поверхностных слоёв |
2. Гидро- и газоабразивноеизнашивание -абразивное изнашивание в результате действия твердых абразивных частиц или тел, увлекаемых потоком жидкости (газа).
Абразивные частицы попадают в поток жидкости (газа) в результате загрязнения топлива, масла, рабочих жидкостей при заправках, неудовлетворительной герметизации и фильтрации.
Такому изнашиванию подвергаются детали насосов, гидроприводов, гидроусилителей, цилиндропоршневой группы двигателей.
Для снижения интенсивности гидроабразивного (газоабразивного) изнашивания необходимо:
- повышать твердость поверхностей деталей;
- не допускать загрязнения топлива, масла и рабочих жидкостей при заправках;
- вовремя заменять и следить за исправностью фильтров и воздухоочистителей, уплотнительных элементов машин и др.
3. Гидро- газоэрозионное изнашивание — это изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости (газа).
4. Усталостное изнашивание вызывает изменение трущейся поверхности или отдельных её участков в результате знакопеременного повторяющегося деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц.
Усталостное изнашивание происходит в процессе трения, при котором под действием больших повторно-переменных нагрузок, превышающих предел текучести металла, возникают микропластические деформации сжатия.
При многократных деформациях одних и тех же участков на поверхности детали появляются микро- и макроскопические трещины, которые в дальнейшем в результате отслаивания и выкрашивания частиц металла приводят к возникновению осповидных углублений и впадин.
Усталостное изнашивание при высоких контактных давлениях наблюдается на беговых дорожках подшипников качения, зубьях шестерен и других деталях.
а б
|
Основным мероприятием, обеспечивающим снижение интенсивности усталостного изнашивания, является
- снижение контактных давлений между соприкасающимися поверхностями путем более равномерного их распределения по длине зуба и между телами качения. Этого можно достичь более точным монтажом и соблюдением оптимальных зазоров и натягов
в подвижных и неподвижных соединениях.
5. Кавитационное изнашивание поверхности происходит при большой скорости движения твердого тела в жидкости.
Кавитация – процесс, при котором в жидкости происходит быстрое образование и схлопывание пузырьков пара - каверн.
Появлению паровых пузырьков способствуют местное понижениедавления в жидкости, омывающей с большой скоростью поверхности деталей (лопасти турбин, насосов, подводные крылья и т.п.).
Жидкость вскипает при резком понижении местного давления. Пузырьки образуются из газа, растворенного в жидкости.
После попадания в зону высоких давлений каверны (паровые пузырьки) "захлопываются", возникает гидравлический удар. Это может вести к разрушению поверхности обтекаемой детали.
Формирование и схлопывание пузырьков пара может происходить в течении долей секунды. Схлопывание каждого пузырька вызывает относительно небольшое повреждение, но в течении тысяч циклов формирования и схлопывания повреждения накапливаются. Как только на поверхности появятся неравномерности, кавитационные разрушения начнут концентрироваться у поврежденных участков, вызывая глубокую локализованную кавитацию.
Процесс образования пузырьков в потоке жидкости гребного винта
Кавитационные повреждения гребного винта
Последствия гидродинамической кавитации приводят к сильному износу рабочих частей и заметно сокращают срок службы турбин, насосов, гидравлических машин, гребных винтов и других деталей.
ПРИМЕР.
Кавитация в насосах
Крыльчатка насоса Конец плунжера
Кавитационное разрушение часто возникает из-за:
- слишком большого перепада давления между всасыванием и нагнетанием;
- дросселирования на стороне всасывания насоса;
- образованию пузырьков может способствовать газ, вносимый через негерметичные прокладки, манжеты, или выделяющийся при разложении химических веществ, содержащихся в воде;
а – манжетное уплотнение; б – уплотнительный стакан: одна манжета (5) обеспечивает герметизацию при разрежении в насосе, две другие – при давлении.
- неправильно сконструированные крыльчатки, клапаны и другие детали насосов;
- оказывает влияние также и состав сплавов. Мягкие, пластичные металлы и хрупкие низкопрочные сплавы, в частности серый чугун, легко разрушаются при кавитации. Такие сплавы, как хромистые нержавеющие стали, устойчивы в самых различных условиях.
6. Изнашивание при заедании (адгезионное изнашивание) - это изнашивание в результате схватывания (местного соединения двух твердых тел вследствие действия молекулярных сил), последующего глубинного вырывания металла, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникающих неровностей на сопряженную поверхность.
Такое изнашивание возникает при значительных удельных нагрузках и граничной смазке и сопровождается выделением значительного количества теплоты, высоким коэффициентом трения и наибольшей интенсивностью изнашивания.
Для снижения вероятности возникновения изнашивания при заедании необходимо:
- снижать шероховатость поверхностей, конусность и эллипсность деталей при механической обработке;
- улучшать условия смазки сопряженных поверхностей;
- соблюдать рекомендации по обкатке;
- не допускать перегрузок подвижных соединений в процессе эксплуатации.
1 – канал подачи смазочного материала; 2 – вкладыш; 3 – корпус; 4 – зазор, заполненный смазочным материалом; 5 – цапфа вала
7. Фреттинг-коррозия это коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях.
Фреттинг-коррозия является особым видом изнашивания номинально неподвижных деталей в результате возвратно-поступательных перемещений с очень малой амплитудой в коррозионной среде.
Причиной таких перемещений могут быть вибрации, динамические нагрузки, периодический изгиб или скручивание сопряженных деталей.
Фреттинг-коррозии возникает из-за непрерывного разрушения защитной оксидной плёнки в точках подвижного контакта.
Проявляется в виде интенсивного окисления поверхностей, тёмных пятен на посадочных поверхностях, рис.:
При дальнейшем развитии может служить причиной зарождения усталостных трещин.
Данному виду коррозии подвержены болтовые соединения,
посадочные поверхности подшипников качения, листовые
рессоры, шестерни, муфты и т.д.
К способам защиты поверхностей контактирующих деталей от фреттинг-коррозии относятся:
- закалка токами высокой частоты;
- химико-термическая обработка;
- нанесение на поверхности деталей различных пленок и покрытий;
- применение смазочных материалов;
- предотвращать контактирование металлических поверхностей нанесением покрытий из полимерных материалов;
- для неподвижных соединений подшипников качения необходимо снижать относительные перемещения сопряженных поверхностей путем обеспечения определенной величины натяга и др.
ПРИМЕР.
Подшипники качения вала редуктора лебедки.
Внутренние поверхности внутренних колец подшипников (посадка с натягом на валу) имеют следы фреттинг-коррозии, возникающей при микроперемещениях сопрягаемых поверхностей. Причина - ослабление посадки подшипника на валу. Следствие - появление ударных нагрузок, ускоренный рост усталостных трещин.