8. Методы восстановления и повышения надежности

При эксплуатации оборудования происходит износ его стенок за счет воздействия трущихся частей или среды; коррозионное воздействие со стороны рабочих сред или атмосферы; изменения структуры, состава и механических характеристик конструкционных материалов за счет взаимодействия со средами, от действия температуры и давления, появления усталости материалов. Все это приводит к снижению надежности оборудования в процессе эксплуатации. Сами явления более подробно изложены далее.

Повышение надежности возможно как на стадии проектирования и изготовления, так и во время эксплуатации. В последнем случае это связано с модернизацией оборудования. Так, например, при замене на установках химии и нефтехимии насосов с сальниковыми уплотнениями на насосы с двойным торцевым уплотнением произойдет увеличение надежности работы всей установки (следует помнить, что насосы относятся к группе самых ненадежныж элементов в таких установках). Замена же на герметичные насосы еще более повышает надежность и безотказность таких установок.

При проектировании и изготовлении оборудования повышение надежности может быть осуществлено за счет триботехники, применение антикоррозионных покрытий, ингибиторов коррозии, новых материалов и т.д.

Наука, исследующая в комплексе процессы трения, изнашивания и смазывания - это триботехника. Эта наука в последнее десятилетие бурно развивается во всех промышленно развитых странах. Достаточно отметить, что поддержание работоспособного технического состояния машинно-тракторного парка существенно превышает стоимость его изготовления.

Например, стоимость технического обслуживания автомобилей и тракторов превышает стоимость их изготовления до шести раз, а станков и насосов – до восьми раз.

Обеспечение триботехнической надежности деталей и сборочных единиц машин должно быть комплексным с использованием конструктивных, технологических и эксплуатационных методов повышения их износостойкости.

Конструктивные методы повышения износостойкости:

• оптимальный выбор материалов.

Высокой надежностью обладают пары хром-резина (при смазывании минеральным маслом и водой), хром-бронза (при пластичных смазочных материалах), твердый материал в паре с другим твердым материалом. Однако применение таких пар ограничено скоростями скольжения. Пористые спеченные материалы и антифрикционные сплавы следует применять в труднодоступных для смазывания узлах трения. Мягкие материалы в сочетании с другими материалами (например, трение незакаленной стали по незакаленной стали, медного сплава по алюминиевому сплаву, никеля по никелю и др.) имеют низкую износостойкость и ненадежны в работе;

• снижение концентрации нагрузки в узлах трения (например, за счет уменьшения перекосов валов и увеличения благодаря этому размеров пятен касания зубьев);

• снижение нагрузки (например, применением нескольких дисков вместо двух в предохранительных муфтах, муфтах сцепления);

• использование при конструировании обратных пар в подшипниках скольжения (рис.1, а), когда втулки из антифрикционного материала устанавливают на шейки вала, а закаленные стальные втулки – в корпус;

• изготовление составных деталей – основной неизнашивающейся части и небольшой сменной изнашивающейся (сменные венцы зубчатых колес и звездочек );

• оптимизация формы изнашивающейся поверхности с приближением ее к форме естественного износа (например, профиль зубьев передач с зацеплением М.Л. Новикова);

• самокомпенсация износа (например, за счет прижатия пружиной монтажного уплотнения к изнашивающейся поверхности вала);

• увеличение запаса на износ (например, толщины стенки проушины в направлении износа);

• обеспечение благоприятных условий трения (замена трения скольжения трением качения, обеспечение жидкостного трения вместо граничного или граничного вместо сухого, защита сопряжения от внешней среды, уменьшение перекосов с целью обеспечения трения качения вместо качения с проскальзыванием, обеспечение достаточного смазывания и эффективной защиты от абразивного загрязнения узлов трения типа зубчатых и червячных передач, подшипников качения и скольжения, применение специальной смазки для открытых и полузакрытых узлов трения типа шарниров приводных цепей и их зацеплений).

Технологические методы повышения триботехнической надежности машин:

• снижение шероховатости поверхностей;

• применение покрытий, предохраняющих поверхности от схватывания и фретинг-коррозии. Применение различных методов чистовой обработки поверхностей особенно эффективно для снижения усталостного изнашивания в зубчатых передачах, подшипниках качения и др.

Предотвратить схватывание поверхностей можно фосфатированием в комбинации с покрытием молибденом, сульфидированием (насыщением серой), сульфоцианированием ( насыщением азотом, углеродом и серой). Покрытия такого типа не только повышают сопротивление схватыванию, но и снижают коэффициент трения. При микроперемещениях в условиях фретинг-коррозии с целью ее предотвращения на поверхность наносят электролитические покрытия медью или оловом, которые, наоборот, повышают коэффициент трения.

Упрочнение поверхностных слоев деталей технологическими методами (табл. 2) эффективно при трении всех видов, встречающихся в механизмах машин и оборудования сельскохозяйственного назначения. Закалка при абразивном изнашивании повышает износостойкость примерно в два раза, но ее эффективность выше при других видах изнашивания, особенно при заедании.

Таблица 8.1 Некоторые методы упрочнения деталей машин и их

показатели

Способ	Технологические возможности			Назначение и эффективность процессов и способов
	НRC, HV, Мпа	σо, МПа	δy, мм
Термическая обработка
Объемная закалка	НRC 40…55	Нет изменений	Нет ограниче ний	Повышение прочности углеродистых сталей в 1,5…2 раза, легированных в 2…3 раза. Упрочнение отливок, поковок, штамповок, механически обработанных деталей, проката, сварных элементов и т.д.
Поверхностная закалка с нагревом ТВЧ и газовым пламенем	НRC 40…70	300…800	0,2…10	Повышение усталостной прочности На 4…100% и износостойкости в 2 раза и более. Упрочнение поверхностей зубьев зубчатых колес, звездочек и муфт, шлицев, тормозных шкивов, осей, деталей, шарниров тяговых цепей и других деталей ПТМ из средне-, высокоуглеродистых и цементируемых сталей
Термохимическая обработка
Цементация	НRC 60…65	400…1000	0,5…2	Повышение пределов выносливости при изгибе до 3 раз, а износостойкости в 1,5…2 раза по сравнению с закалкой ТВЧ
Азотирование	НV 9000…11000	400…1000	0,5…0,6	То же, и повышение коррозионно-усталостной прочности
Нитроцементация (газовое цианирование)	НRC 60…75	400…1000	0,05…2,5	То же, что и при цементации, но достигаемый эффект более значителен усталостная прочность шестерен выше в 2…3 раза, а износостойкость - в 1,5…1,9 раза
Алитирование	-	-	0,5	Повышение долговечности деталей из сталей обыкновенного качества, работающих при повышенной температуре, до уровня долговечности деталей из дорогих жаростойких сталей
Хромирование (высокотемператур-ное термодиффузионное)	НV 16000…20000	-	0,02…0,03	Повышение ударной и коррозионно-усталостной прочности. износостойкость в 3…4 раза выше, чем при цементации, и в 1,5…2,8 раза по сравнению с нитроцементацией
Силицирование	-	-	0,02…0,03	Повышение коррозионной стойкости и износостойкости при хорошей пластичности
Сульфидирование	Нет изменений	-	0,05…1	Повышение сопротивления схватыванию как при сухом трении, так и при наличии смазочного материала (шестерни, втулки, гайки, плунжеры, клапаны и др.)
Дробеструйная обработка	Увеличение на 20…40%	400…800	0,4…1,5	Упрочнение деталей сложной формы. Повышение усталостной долговечности рессор в 2…7 раз, пружин в 3…10 раз, осей в 3…5 раз, зубчатых колес (после закалки ТВЧ) в 8…12 раз
Центробежно-шариковый наклеп	То же на 15…60%	400…800	0,3…1,5	Упрочнение наружных и внутренних цилиндрических поверхностей (коленчатые и тормозные валы, гильзы цилиндров, поршневые кольца, вкладыши подшипников и др.)
Обкатка роликами	на 20…50%	До 1000	1…35	Упрочнение цилиндрических и винтовых поверхностей. Повышение усталостной долговечности штоков в 3…4 раза, болтов и шпилек (обкатка резьбы) в раза
Чеканка	на 20…50%	До 1000	0,5…35	Упрочнение деталей сложной формы м крупногабаритных. Повышение усталостной прочности крупномодульных зубчатых колес (впадины), крупных валов (галтели), сварных металлоконструкций (швы и околошовные зоны)
Термомеханическая обработка
Высокотемпературная ТМО (ВТМО)	-	-	Все сечение	Упрочнение проката, поковок, штамповок, изделий, полученных волочением и выдавливанием (экструзией)
Низкотемпературная ТМО (НТМО)	-	-	То же	Повышение пределов прочности легированных сталей в 5…6 раз (до 3100 МПа) при увеличении пластических свойств стали (относительное сужение до 45%)

У с л о в н ы е о б о з н а ч е н и я: НRС, HV – твердость поверхности; σ_о – остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое; δ_y – толщина упрочненного слоя; ТВЧ – токи высокой частоты; ПТМ – подъемно-транспортирующие машины; ТМО – термомеханическая обработка.

Цементация и газовое цианирование с последующей объемной или поверхностной закалкой и низкотемпературным (200⁰ С) отпуском обеспечивают при абразивном изнашивании дополнительное повышение износостойкости по сравнению с обычной закалкой углеродистой стали в 1,5…3 раза. Термодиффузионное насыщение поверхностей трения одним из карбидов хрома, титана или бора обеспечивает поверхностную твердость HV≥14000 МПа и повышает износостойкость при абразивном изнашивании по сравнению с цементацией в 3…4 раза.

При усталостном изнашивании и заедании повышение износостойкости достигается применением легированных сталей и термической обработки, обеспечивающей получение высоких механических свойств не только в тонком поверхностном слое, но и на достаточной глубине под ним.

Для повышения твердости поверхностей деталей начали применять высокоэнергетические методы обработки (лазерную, плазменную и др.), а также нанесение износостойких и антифрикционных покрытий ионными методами (в тлеющем разряде, катодным распылением и т. п.).

Наличие смазки значительно снижает механический износ, т.к. при достаточной толщине смазочного слоя трение деталей одна о другую заменяется трением слоев смазки. Например, для пары сталь-бронза износ при наличии смазки уменьшается примерно в 30 раз по сравнению с износом, имеющим место при отсутствии смазки. Даже кратковременное отсутствие смазки приводит к резкому повышению износа и заеданию деталей. Выделение больших количеств теплоты при трении без смазки приводит к выплавлению баббита из подшипников скольжения и заклиниванию. Смазка тем самым уменьшает износ трущихся деталей. Поэтому назначение смазки заключается в сохранении работоспособности и точности оборудования, увеличении его долговечности.

Основная характеристика смазочного материала – вязкость. В большинстве случаев сырьем для синтеза смазок служат продукты перегонки нефти. В зависимости от вязкости смазки могут быть жидкими (текучими), консистентными (густые, пластичные смазки) и твердыми (в качестве твердой смазки используется графит).

Смазка оборудования осуществляется в соответствии с заводскими инструкциями. Составляется карта смазки. Карта смазки – это схематический чертеж машины с позициями смазываемых узлов, для которых указывается способ и периодичность смазки. Смазка проводится в основном в период межремонтного обслуживания как основными рабочими. Так и дежурным персоналом ремонтной службы. Графики смазки и замены масла, инструкции и карты смазки должны находиться у дежурного персонала на рабочем месте.

Вид смазки для каждой машины указывается заводом-изготовителем для нормальных условий эксплуатации. Однако при изменении условий работы машины приходится заново подбирать вид смазки.

Прочность масляного слоя определяется вязкостью масла, поэтому подбор смазки осуществляется в основном по вязкости. Чем выше удельное давление в паре трения, тем более вязким должно быть масло. При малой вязкости будет происходить выжимание масло из зазора и разрыв смазочного слоя. Чем больше рабочая tº, тем выше должна быть вязкость масла. Объясняется это тем, что с повышением tº вязкость падает. Чем больше скорость относительного перемещения поверхности, тем меньше должна быть вязкость.

Конструкции узла трения и условия эксплуатации также оказывают влияние на выбор вида смазки. Для вертикальных и наклонных поверхностей трения во избежание вытекания предпочтительны не масла, а консистентные смазки.

В период приработки необходимо использовать масло, имеющее повышенную вязкость. Увеличение зазора в результате износа вызывает вибрацию и разрушение сплошного масляного слоя, поэтому при повышении износа нужно также использовать масла повышенной вязкости. Масло требуемой вязкости обычно получают путем смешения в определенных пропорциях 2-х масел с различной вязкостью.

Смазочное хозяйство находится в подчинении главного механика завода. Непосредственно в цехах смазку оборудования осуществляют станочники, аппаратчики слесари по обслуживанию и ремонту оборудования или специально выделенные смазчики.