3.7. Вплив швидкості зношування на довговічність машин

Підвищення зносостійкості машинє основним резервом збільшення їх довговічності.

Процес зношування має ряд закономірностей: він неперервний, навіть при малих проміжках часу — непостійний (див. графік кривої зношення рис. 3.4) і є зростаючою функцією часу (рис. 3.5). З графіка видно, що швидкість зношування характеризується тангенсом кута нахилу прямої на лінійній ділянці, тобто

(3.6)

де , at = t_y

Тоді

, (3.7)

звідки

(3.8)

З графіка видно, що термін служби

Т_СЛ1 = t_п + t_y

чи

(3.9)

де t_n— час припрацювання;

t_y— усталений час роботи (від кінця припрацювання до появлення граничного зношування деталі).

Величини і t_п для конкретної спряженої пари постійні, тобто = constt_n= const.

З формули (3.9) видно, що термін служби деталі Т_СЛ залежить від зазору в кінці припрацювання та швидкості зношування tga.. Зі зменшенням tgp.термін служби спряженої деталі збільшується на , тобто:

(3.10)

З графіка видно, що чим менше , тим більше Т_СЛ. Зі зменшенням ДО термін служби збільшується на , тоді

(3.11)

Якщо спряження підлягало розбиранню, то відбувається вторинне припрацювання (і відповідно збільшення зазору на величину )_, що знижує термін служби деталей на .

Рис. 3.5. Графічна інтерпретація впливу процесу зношування на довговічність (за ПолянськимС.К.)

Тоді

(3.12)

Дослідженнями встановлено, що одне розбирання складальної одиниці без будь-якого ремонту деталей, тобто при зборці вузла з тих самих деталей, в окремих випадках знижує їх термін служби на 25...30%. Тому розбирання машин в процесі експлуатації може проводитись тільки у випадках крайньої необхідності.

Для визначення технічного стану машин та їх складальних одиниць необхідно користуватись засобами та методами технічної діагностики без їх розбирання.

Крива зношування є основою для прогнозування залишкового ресурсу роботи механізмів та встановлення термінів діагностування і технічного обслуговування.

Критичні точки кривої в кожному конкретному випадку повинні визначатись за даними прискорених випробувань чи за статистичними даними з використанням математичного апарату теорії ймовірностей і математичної статистики стосовно до теорії надійності машин.

Отже підвищення терміну служби в умовах експлуатації може бути реалізоване за рахунок дотримання правил припрацювання, своєчасної заміни мастильного матеріалу, а також при дотриманні норм та правил експлуатації, технічного обслуговування і ремонту машин.

В загальному вигляді формулу кривої зношування, яка відображає особливості кожної ділянки, можна подати наступним чином:

(3.13)

де , , швидкості протікання процесу зношування за стадіями;

т — ступінь функції, що характеризує кривизну апроксимуючої функції (спочатку т < 1 і зношування зменшується, а в кінці т> 1 і зношування збільшується).

3.8. Закономірності й характер руйнування основних деталей машин і обладнання

Найхарактерніші види пошкоджень, які виникають в наслідок взаємодії двох поверхонь.

• Якщо немає відносного переміщення поверхонь, то це, як правило, спричиняє їх зминанню (пластичну деформацію). Зминання зазнають шпонкові і зубчасті з’єднання, упори й штифти, осі ланцюгових передач, різьбові з’єднання та інші деталі машин.

• Відносне-переміщення поверхонь зумовлює їх на зношування, що супроводжується пластичною деформацією.

• У разі малих відносних переміщень деталей спостерігається складне явище, яке називається фретінг-корозією.

• Кочення (обкатування) двох тіл, як правило, спричиняє втомленість поверхневих шарів, а при недостатній твердості металів, крім того, — зминання.

• При відносному ковзанні та великих контактних навантаженнях спостерігаються абразивне зношування та втомленість, а іноді, і зминання. Слід мати на увазі, у разі зношування також відбуваються міжмолекулярні взаємодії (адгезія, когезія), ерозія та інші фізико-хімічні процеси, які протікають кожний раз по різному, набуваючи специфічних явищ.

Отже, кожному виду взаємодії поверхонь відповідає найхарактерніший вид пошкодження. Виходячи з приведеної-класифікації та явищ, які виникають при взаємодії тертьових поверхонь, розглянемо найбільш характерні види зношування типових деталей БДМ.

Деталі циліндро-поршневої групи (ЦПГ — циліндр, поршень, поршневі кільця) працюють в умовах високих навантажень (які часто змінюються), високих швидкостей та температур. Для роботи цих деталей характерне граничне мащення, присутність абразивних та корозійно-активних речовин. Процес відбувається з розривом або без оливної плівки.

Зношення стінок циліндрів є наслідком механічного зношування (переважно абразивного) та корозійно-механічного.

Абразивне зношування переважно відбувається в результаті потрапляння в двигун частинок пилу та продуктів руйнування оксидної плівки, яка на 60...80% складається з оксиду сіліцію 8і0₂, що за твердістю перевищує багато металів. Кількість пилу, що проникає до тертьових пар, залежить від якості фільтрації повітря, палива та оливи. Дослідженням встановлено, що 1 г пилу, який потрапляє в циліндр двигуна, зношує його на 10 мкм в діаметрі.

При роботі холодного двигуна абразивне зношування обумовлюється продуктами оксидної плівки, оскільки продукти її руйнування, як правило, твердіші ніж вихідний метал.

Корозійно-механічне зношування зумовлене утворенням в процесі згорання високоактивних органічних оксидів і особливо оксиду сірки 80₂, 80₃, яка знаходиться в паливі.

Еліпсоїдний характер зношування циліндра виникає внаслідок дії бічної складової сили тиску газів, змиванням мастильного матеріалу з боку впорску палива та неоднаковою інтенсивністю охолодження циліндрів.

Зношування поверхні циліндра в різних перерізах неоднакове. Як правило, найбільше зношування спостерігається в зоні роботи першого компресійного кільця. Але на думку проф. Р.В. Кугеля, в залежності від виду зношування в різних зонах циліндру форма зношення поверхні по твірній може змінюватись і приймати різний вигляд (рис. 3.6).

ЕпюраIхарактеризує помірне, зношування внаслідок ерозійного зношування верхньої частини циліндра разом з незначним абразивним зношуванням, майже рівномірним за висотою циліндра. Така форма зношування виникає в разі сприятливого теплового режиму роботи двигуна, чистої оливи, добрій

Рис. 3.6. Схема зношування пари поршневе кільце-гільза циліндра: а — типова крива зношування гільзи циліндра; б — внутрішні сили пружності поршневого кільця; в — радіальна деформація кільця 8 ;

г- епюри зношування циліндра по твірній фільтрації повітря, що всмоктується в циліндри.

ЕпюраII характеризує незначне ерозійне зношування верхньої частини циліндра з переважним абразивним зношуванням середньої його частини. Як правило, таке зношування виникає при сприятливому тепловому режимі, але при забрудненні мастильного матеріалу.

ЕпюраIII характеризує різко виражене ерозійне зношування верхньої частини циліндра при незначному зношуванні решти його поверхні. Найчастіше таке зношування виникає за умов несприятливого теплового режиму, недостатнього змащування верхньої частини циліндра, а також може бути зумовлене потраплянням пилу через всмоктуючий тракт.

Епюра V виникає в тому випадку, коли дія ерозійного зношування розповсюджується на більшу частину циліндра. При тривалому періоді експлуатації спостерігається тенденція переходу від епюри III до епюри IV.

Зношування поршнів відбувається по канавках, юбці та отворах під палець в його бабишках. В більшій мірі зношуються нижні поверхні канавок внаслідок тиску газів при такті розширення. В разі порушення режимів роботи, наприклад, при використанні бензинів з нижчими ніж регламентовано октановими числами, на деяких двигунах відбувається руйнування міжкільцевих перегородок, що потребує заміни поршнів та кілець.

Юбка поршня також зношується нерівномірно і головним чином, у зонах підвищеного, тиску. Однак інтенсивність зношування юбки значно менша, ніж верхніх канавок.

Зношення поршневих кілець, як і циліндрів, є результатом корозійно-механічного, абразивного і молекулярно-механічного зношування.

За характером зношування поршневої групи можна зробити практичні висновки про помилки експлуатації машини і скласти відповідні рекомендації для зниження швидкості зношування та підвищення ресурсу двигуна.

Деталі кривошипно-шатунного механізму, основними із яких є колінчастий вал і підшипники, працюють в умовах високих навантажень, при наявності абразивних речовин, корозійно-активних оксидів та значного перепаду температур. У відповідності з цим, деталі кривошипно-шатунного механізму піддаються абразивному та ерозійному зношуванню (в основному абразивному).

Зменшення швидкості зношування кривошипно-шатунного механізму та появи наведених вище наслідків можна досягнути дотриманням температурного режиму двигуна, зменшенням навантажень та ретельним доглядом за оливними фільтрами і вчасною заміною оливи.

Клапани працюють в умовах високих температур, навантажень і корозійно-активного газового середовища. їх робочі поверхні зазнають втомлювального, корозійно-механічного, ерозійного та газоерозійного зношування.

Деталі зубчастих зачеплень машин, як правило, працюють в умовах досить активних питомих навантажень циклічного характеру та частого виникнення граничного мастила. Крім того, експлуатаційні умови роботи зубчастих зачеплень ускладнюються наявністю абразиву в мастильному матеріалі та змінністю режиму з перевагою механічного зношування, а також втомлювальних руйнувань. Це руйнування іноді називають «пітінгом», і супроводжується появою дрібних віспоподібних раковин на ніжках зубців у навколо полюсній зоні робочої поверхні.

Розвиток втомлювальних мікротріщин, які призводять до викришення часток металу, як правило, починається і найбільш інтенсивно проходить в зоні нижньої частини зубця (в зоні тертя кочення з ковзанням).

Викришення починається в нижній частині зубця і закінчується в полюсній (в середині) зубця. Потім вгору від полюсної лінії починається друга зона пошкодження поверхонь. Такий характер розподілу зношення за поверхнею зубця пояснюється тим, що у верхній та нижній зонах ніжки зуба спостерігається найбільше ковзання разом з максимальним контактним навантаженням.

В шарнірно-болтовому з’єднанні форма зношення поверхні залежить від того, який елемент спряження рухається.

Якщо рухається втулка, то на поверхні нерухомого болта (пальця) буде спостерігатись невелике місцеве зношення. Зношення втулки буде розподілене по частині кола, довжина якого, при зворотньо-поступальному русі, залежить від кута кочення. Якщо втулка робить повний оберт, то зношення рівномірно розподіляється по всій її поверхні.

При обертанні болта (пальця) відносно нерухомої втулки спостерігається зворотна картина. Збільшення зазору ведедо появи коливальних рухів (люфта) рухомого елемента відносно нерухомого, що породжує динамічні навантаження і призводить до прискореного руйнування спряження.

У відкритому шарнірному з'єднанні при співвісній зборці та точному виготовленні, велике зношення спостерігається біля торців. Це викликано проникненням абразивних часток з навколишнього середовища в процесі роботи механізму. Чим більша довжина шарніру, тим більше виражена нерівномірність зношування його поверхні за довжиною. Зі збільшенням номінального зазору у відкритому шарнірно-болтовому з’єднанні зростає абсолютна величина зношення поверхні, а у випадку перекосу може змінитись розподілення зношування за довжиною шарніра.

В опорах ковзання (для спряження вал-втулка) картина розподілення зношування за поверхнею тертя співпадає за зовнішнім виглядом з епюрою розподілення нормального тиску і температури.

Якщо обертається вал в нерухомій опорі, то постійна сила П, яка діє на Нього, підлягає циклічному навантаженню всю робочу поверхню валу, в той час як робоча поверхня втулки буде витримувати постійне місцеве навантаження. В результаті зношування валу буде рівномірно розподілене за робочою поверхнею (колами), а на втулці утворюється місцеве зношення.

Якщо нерухомий вал, а втулка опори обертається, причому навантаження передається через опору, то рівномірно буде зношуватись втулка, а на валу утворюється одностороннє зношення. Аналогічна картина розподілення зношення спостерігається при нерухомій опорі, якщо обертовий вал навантажений децентровою силою.

Вали зазнають, в основному, абразивного зношування. Найбільш інтенсивно зношуються шийки в місцях рухомого з’єднання з підшипником ковзання, а також шліцові з’єднання. Характер зношення різний: від шліфуючого стирання дрібними твердими частками (вузлів тертя, надійно захищених від абразивного середовища) до глибокого дряпаючого стирання (у вузлах з незадовільною захищеністю вузлів тертя).

Швидкість зношування шийок валів у 23 рази менша, ніж швидкість зношування бронзових вкладишів підшипників ковзання, спряжених з ними.

У шліцьових з’єднаннях розподіл зношення контактуючих поверхонь деталей залежить від ступеня неспіввісності.

При зміщенні осей в горизонтальній площині максимальне зношення спостерігається біля торців шліців і до їх середини поступово зменшується. Чим більший кут перекосу та тривалість роботи з’єднання, тим більша різниця у зношеннях поверхні шліца.

За висотою величина зношення поступово зменшується від вершини шліца до ніжки.

При зміщенні осей у вертикальній площині зношення шліца по довжині буде рівномірним, але при цьому порушується картина розподілу зношення по висоті шліца.

У випадку одночасного зміщення осі у вертикальній та горизонтальній площинах зношення одного з торців буде максимальним. За довжиною шліца зношення буде поступово зменшуватись до протилежного торця шліца. За висотою шліца, як і у попередньому випадку, величина зношення поступово зменшується від вершини шліца до ніжки.

Для внутрішніх шліців розподіл зношення за довжиною такий, як і для зовнішніх.

На шліцьових ділянках валу основним видом зношування є крихке руйнування (викришення) чи пластична деформація поверхонь. Швидкість зношування на таких ділянках складає від 0,08 до 0,15 мкм за 1000 год роботи.

Деталі фрикційних муфт та гальм особливо з пластичних мас, відносяться до швидко зношуваних (в 56 разів швидше, ніж дедалі з металу).

Запитання та завдання для самостійного контролю

1. Поясніть графічно загальну класифікацію видів зношування.

2.Поясніть характер зношування за видами (абразивне, ерозійне тощо).

3.Поясніть поняття «механічне молекулярне зношування».

4.Поясніть графічно зношування сполучень за часом.

5.Поясніть стахостичну природу старіння.

6.Що таке багатостадійні процеси зношування?

7.Поясніть класичну криву зношування пари вал-підшипник.

8.Поясніть основи припрацювання поверхонь, що труться.

9.Поясніть графічно і аналітично можливості підвищення довговічності за рахунок зміни швидкості зношування.

10. Поясніть основний характер руйнування типових деталей машин.

Розділ 4

МОДЕЛІ ВІДМОВ

4.1 Поняття про експлуатаційну (параметричну)

надійність машин

Параметричну надійність складних машин (в тому числі автомобілів )можна розглядати з позиції теорії інформації, вважаючи, що початкова інформація — вхідні сигнали, керуючі машиною, перетворюються у вихідні сигнали і параметри, визначаючи якості функціонування системи. При цьому кожний елемент або вузол системи (машини) можна розглянути як окрему ланку перетворення інформації, що має свою передатну функцію і помилки перетворення якої мають випадковий характер і розсіювання.

Вплив на машину різноманітних видів енергії, що розглядались раніше, призводить до виникнення процесів старіння, які перекручують передану інформацію. Недопустиме перекручення сигналу, що передається, адекватне виникненню параметричної відмови (вихід того чи іншого параметра за допустимі межі) і вірогідність цього зростає в міру збільшення часу експлуатації (збільшення терміну служби).

Слід відзначити, що вихід будь-якого параметра машини за допустимі межі означає необхідність ремонту або регулювання її і як наслідок — зупинка усієї машини. Тому параметрична відмова окремого елемента означає відмову функціонування усієї машини.

При цьому наслідки відмов досить різноманітні. 1 тому з метою забезпечення працездатного стану машини необхідно навчитися керувати ними.