Повреждение и изнашивание деталей машин и механизмов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повреждение и изнашивание деталей машин и механизмов

1. Классификация видов износа и изнашивания

коррозия износ металл

C момента начала эксплуатации машины и любое другое оборудование подвергаются износу, который нарастает с увеличением срока эксплуатации объектов и приводит к потере ими части своей полезности и, как следствие, определенной части стоимости.

Иными словами, износ - потеря стоимости (обесценивание) собственности в процессе эксплуатации под действием различных факторов устаревания и природно-временного воздействия.

Причины износа могут относиться либо к самому объекту, либо к ближайшему окружению этого объекта (появлению более совершенных и конкурентоспособных аналогов, появлению новых технологий или изменениям в технологической цепочке, в которую включен объект), либо в областях, не имеющих непосредственного отношения к объекту, то есть внешних по отношению к нему.

В качестве основных факторов обесценивания (устаревания) обычно рассматриваются физический износ, функциональное и экономическое устаревание.

Физический износ - ухудшение первоначальных технико-зкономических свойств, обусловленное естественным изнашиванием конкретного объекта в процессе эксплуатации и под воздействием различных природных факторов. Другими словами, это износ материалов, из которых создан объект, потеря его первоначальных качеств, постепенное разрушение конструкций и т.д.

Функциональный износ - обесценивание объекта в результате несоответствия его параметров и (или) характеристик оптимальному технико-экономическому уровню. Причиной функционального устаревания может быть как недостаток в оптимальной полезности, так и ее неиспользуемый избыток. В качестве примера функционального устаревания можно рассматривать излишек производственных мощностей, конструктивную избыточность или недостаточность, большие затраты на вспомогательное производство и т.д.

Экономическое устаревание (внешний износ) - обесценивание собственности, обусловленное влиянием внешних факторов, а именно: изменение в оптимальном использовании, законодательные нововведения, изменение соотношения спроса и предложения, ухудшение качества сырья, квалификации рабочей силы и т.п.

Экономическое устаревание почти всегда считается неустранимым, поскольку величина потенциальных затрат на ликвидацию внешних элементов, вызвавших это устаревание, всегда, за редким исключением, превышает добавленную к собственности стоимость.

Поскольку любой объект может подвергаться одновременно разным видам износа, то при оценке учитывается совокупный износ. Совокупный износ объекта определяется как сумма потерь стоимости под действием всех факторов устаревания (износа).

Функциональный и экономический износы можно учесть косвенно через цены объектов-аналогов, а физический износ должен учитываться напрямую, так как он специфичен для каждого объекта.

Необходимо четко различать виды износа, чтобы не учесть один и тот же износ дважды. Следует учитывать также, что один и тот же по виду износ может относиться ко всему объекту целиком или в разной степени к его отдельным элементам. Так, например, у МРС быстрее всего физически изнашиваются движущиеся части, а неподвижные детали изнашиваются на порядок медленнее. С другой стороны, с точки зрения морального износа, который является разновидностью функционального устаревания, некоторые узлы и детали устаревают медленнее, чем, например, двигатель. Поэтому часто правомерно говорить не об износе всего объекта целиком, а об износе отдельных его элементов.

При определении износа элементов машин и оборудования требуется не только представлять, какую часть стоимости от всего объекта составляет данный элемент, но и принимать во внимание срок его полезной жизни, по которому выделяют долгоживущие и короткоживущие элементы. Короткоживущими элементами называют такие узлы или детали, срок жизни которых меньше срока жизни всего объекта в целом, и которые, следовательно, требуют периодической замены в течение времени нормальной эксплуатации объекта (подшипники, сальники, фильтры, шестерни, вкладыши, кольца, поршни и т.п.). Долгоживущими, соответственно, называют такие элементы, срок жизни которых больше срока жизни объекта в целом. Иногда некоторые из них могут продолжать эксплуатироваться по своему прямому назначению и после выхода объекта из строя в качестве запасных частей на других аналогичных объектах.

В зависимости от технической возможности и экономической целесообразности устранения различают следующие виды износа: устранимый и неустранимый.

Способом устранения физического износа является ремонт, а функционального - модернизация.

На современном уровне развития науки и техники преобладают экономические факторы отнесения износа к неустранимому, так как чаще всего расходы на устранение превышают прирост полезности и стоимости соответствующего объекта и экономически целесообразнее объединить ремонт с модернизацией, заменив вышедшие из строя элементы модернизированными.

Физический износ и методы его определения

Физический износ представляет собой естественный процесс ухудшения характеристик оборудования во время его эксплуатации под воздействием многих факторов, таких как: трение, коррозия, старение материалов, вибрации, флуктуации температуры и влажности, качество обслуживания и др. Рост физического износа приводит к увеличению вероятности аварийных отказов оборудования и к снижению качественных характеристик выпускаемой с помощью этого оборудования продукции, что ведет к уменьшению остаточного срока

Различают следующие виды физического износа:

1. механический износ, результатом которого является снижение точности (отклонение от параллельности и цилиндричности);

2. абразивный износ появление царапин и задиров на сопрягаемых поверхностях;

3. смятие, вызывающее отклонение от плоскостности;

4. усталостный износ, ведущий к появлению трещин, излому деталей;

5. заедание которое проявляется в прилипании сопрягаемых поверхностей;

6. коррозийный износ, проявляющийся в окислении изнашиваемых поверхностей;

7. эрозионный и кавитационный износ.

По причине вызвавшей износ, физический износ бывает первого и второго рода.

Физическим износом первого рода называется износ, накопившийся в результате нормальной эксплуатации.

Физическим износом второго рода называется износ, возникающий вследствие стихийных бедствий, аварий, нарушении норм эксплуатации и т.д.

По времени протекания различают износ непрерывный и аварийный.

Непрерывным износом называется постепенное снижение технико-экономических показателей объекта при правильной, но длительной его эксплуатации. Один из видой непрерывного износа - механический износ узлов и деталей, влияющий в основном на движущиеся части машин и механизмов.

Аварийным износом называется быстрый по времени износ, достигающий таких размеров, что дальнейшая эксплуатация объекта становится невозможной, По характеру протекания аварийный износ действительно моментальный, но по сути он является следствием непрерывного скрытого износа. Аварийный износ по внешним причинам связан с ошибками персонала, резкими скачками питающих напряжений, несоответствием между требуемыми и имеющимися расходными материалами и т.п.

Скрытым износом называют износ, который непосредственно не влияет на технические параметры оборудования, но увеличивает вероятность аварийного износа.

По степени и характеру распространения различают глобальный и локальный виды износа.

Глобальным износом называется износа, распространяющийся на весь объект в целом.

Локальным износом называется износ, в разной степени поражающий различные узлы и детали объекта.

По технической возможности и экономической целесообразности восстановления утраченных потребительских свойств физический износ бывает устранимый и неустранимый.

Устранимый износ - износ, устранение которого физически возможно и экономически оправдано, т.е. износ, допускающий ремонт и восстановление объекта с технической точки зрения и оправданный с точки зрения экономической.

Неустранимый износ - износ, который невозможно устранить из-за конструктивных особенностей объекта или нецелесообразно устранять по экономическим соображениям, так как расходы на устранение (ремонт оборудования или замену деталей или узлов) превышают прирост стоимости соответствующего объекта.

Величина физического износа объекта в процессе эксплуатации зависит от многих факторов:

* степени загрузки объекта, продолжительности работы, интенсивности использования;

* качества объекта - совершенства конструкции, качества материалов и т.д.;

* условий эксплуатации - наличия пыли и абразивных загрязнений, повышенной влажности и т.д.;

* качества ухода;

* квалификации обслуживающего персонала.

В результате физического износа снижается производительность машин и оборудования. Это вызвано в первую очередь увеличением простоев, вызванных ремонтом и обслуживанием, уменьшающих полезный фонд рабочего времени. Кроме того, износ машины с некоторого момента времени начинает сказываться и на ряде технических параметров, что также снижает выработку. Например, у МРС падает точность обработки, в результате требуются более частые проверки и подналадки, увеличивается выход бракованной продукции. По статистике производительность падает до 25% за 10 лет эксплуатации.

Наиболее распространенный тип механического износа является результатом действия сил трения при скольжении одной детали по поверхности другой. При этом происходит истирание в виде срезания поверхностного слоя металлов у совместно работающих деталей, которые при этом теряют свои геометрические размеры. Такой износ в основном возникает в таких сопряжениях деталей, как вал - подшипник, станина - стол, поршень - цилиндр. Он появляется и при трении качения поверхностей, так как ему неизбежно сопутствует и трение скольжения, однако в подобных случаях износ бывает очень небольшим.

Степень и характер такого механического износа деталей зависит от многих факторов: физико-механических свойств верхних слоев металла; условий работы и характера взаимодействия сопрягаемых поверхностей; давления; относительной скорости перемещения; условий смазывания трущихся поверхностей; степени шероховатости последних и др.

Взаимодействие поверхностей деталей без относительного их перемещения называют смятием поверхностей, что присуще шпоночным, шлицевым, резьбовым соединениям.

С другой стороны, такие детали как валы, зубья шестерен, шатуны, пружины, подшипники могут подвергаться длительному воздействию переменных нагрузок, что гораздо опаснее для прочности таких деталей, т.к. нарушение их сопряжений происходит без заметных остаточных деформаций, т.е. может возникнуть хрупкий излом. Явление разрешения материалов от действия переменных механических нагрузок называют явлением усталости металла.

Валы, пружины и другие детали разрушаются вследствие усталости материала в поперечном сечении. При этом на поверхности детали появляются трещины, развитие которых приводит к поломке. Излом детали в этом случае имеет две зоны:

1) зона с мелкозернистой структурой - след постепенного разрушения, вызываемого внутренним трением кристаллов под действием внешней переменной нагрузки;

2) зона с крупнозернистой структурой - результат мгновенного разрушения оставшейся части детали.

Выход деталей станков по причине поломки в результате появления усталостных трещин является недопустимым. Такие детали при ремонте станков обычно не восстанавливают. Возможно лишь только восстановление некоторых деталей с поверхностным усталостным разрушением, работающих в условиях контактной нагрузки, например, зубчатые колеса, кулачки, ролики, фрикционные вариаторы и др.

Усталостные разрушения материала детали необязательно должны сразу привести к ее поломке. Возможно возникновение усталостных трещин, шелушения и других дефектов, которые опасны тем, что вызывают ускоренный износ детали механизма. Для предотвращения усталостного разрушения важно правильно выбрать форму поперечного сечения вновь изготовляемой или ремонтируемой детали: она не должна иметь резких переходов от одного размера к другому. Следует также помнить, что грубо обработанная поверхность, наличие рисок и царапин могут стать причиной возникновения усталостных трещин.

Износ схватыванием возникает при трении скольжения с небольшой скоростью относительного перемещения трущихся поверхностей (менее 1 м/сек) и больших удельных давлениях, превышающих предел текучести металла на участках фактического контакта, при отсутствии смазки и защитной пленки окислов. Взаимодействие поверхностей и интенсивность износа схватыванием зависят от физико-механических свойств материала деталей и величины удельного давления на площади фактического контакта. Детали, изготовленные из мягких материалов, более подвержены износу схватыванием, чем детали с высокой поверхностной твердостью. По сравнению с другими видами износа интенсивность изнашивания при схватывании наибольшая - 10-15 мкм/ч.

Окислительный износ происходит при трении скольжения в случае отсутствия или наличия граничной смазки, а также трения качения с небольшими удельными нагрузками. Окислительный износ сопровождается двумя взаимосвязанными процессами: микропластической деформацией поверхностных слоев и диффузией кислорода в деформированный металл.

В первой стадии развития окислительного износа окисление наблюдается в небольших объемах металла, расположенных непосредственно на поверхности трения. В результате окисления образуются твердые растворы кислорода в металле, которые при относительном движении деталей перемещаются, заполняя все неровности на поверхности, и частично уносятся в виде микропленок.

Во второй стадии окислительного износа происходит образование сплошных слоев химического соединения кислорода с металлом. Вновь образуемая структура поверхностного слоя металла имеет высокую твердость и очень большую хрупкость. Изнашивание в этот период характеризуется разрушением поверхностного слоя в результате механического зацепления гребней и выкрашивания. Продукты износа при этом отделяются в виде порошка или частиц окислов. Окислительный износ дает меньшую интенсивность изнашивания деталей, чем другие виды износа - 0,1 - 0,5 мкм/ч.

Процессы окислительного изнашивания и изнашивания схватыванием обычно связаны между собой. Так, например, при работе образца без смазки окислительный износ наблюдается до скорости 2,59 м/с. С повышением скорости от 2,59 до 11 м/с преобладающим является процесс схватывания, быстро приводящий к разрушению поверхности. При работе со смазкой явление схватывания произошло при скорости 20 м/с. При увеличении скорости более 20 м/с из-за возрастания температуры, сгорания смазки и увеличения площади контакта металлических поверхностей процесс изнашивания схватыванием возрастает. С увеличением удельного давления от 9,8*105 до 49,03*105 (от 10 до 59 кг/см2) изнашивание схватыванием наиболее интенсивно начинается при скорости скольжения 6,25 м/с.

Тепловой износ возникает при трении скольжения с большими скоростями относительного перемещения трущихся поверхностей (V>3-4 м/сек) и большими удельными давлениями. Тепло, выделяемое при трении скольжения, понижает сопротивляемость металла износу и способствует пластическим деформациям, а это благоприятствует контактному схватыванию, смятию и размазыванию металла. Интенсивность изнашивания детали составляет 1-5 мкм/ч.

Абразивный износ характерен для трущихся поверхностей, работающих в абразивной среде. Процесс изнашивания происходит в виде микропластических деформаций и среза металла в поверхностных слоях твердыми частицами. Появление твердых частиц возможно вследствие разрушения поверхностного слоя, загрязнения его маслом, загрязнения посторонними включениями во время процесса отливки, плохой защиты трущихся поверхностей от попадания стружки, пыли, песка и т.п. При относительном перемещении деталей твердые частицы царапают поверхность, внедряются в нее и срезают мельчайшую стружку металла с поверхности трения.

В МРС абразивному износу подвержены направляющие станин, столов, кареток суппортов и другие детали. Абразивный износ характерен также и для деталей с гальваническим покрытием (хромом и сталью) или металлизированных путем напыления. Твердыми частицами у деталей с указанными покрытиями являются продукты износа самих поверхностей. Интенсивность изнашивания детали 0,5-5 мкм/ч.

Осповидный износ возникает при трении качения и нагрузках, превышающих предел текучести поверхностных слоев металла. Под воздействием больших удельных усилий на поверхности трения детали возникают микропластические деформации сжатия, упрочнения и разупрочнения металла. Структура наружного слоя под действием нагрузки и высоких температур в месте контакта катящихся тел резко меняется. Это изменение характеризуется явлением наклепа, который сопровождается отслаиванием мельчайших частиц металла, перенапряжением поверхностных слоев и их растрескиванием. Кроме того, между наклепанными и нижележащими слоями возникают большие напряжения, способствующие глубинному разрушению.

В результате возникновения остаточных напряжений и усталости на поверхности детали появляются микротрещины, которые по мере повторно-переменного действия нагрузки развиваются в одиночные и групповые впадины. Осповидный износ наиболее отчетливо проявляется на рабочих поверхностях подшипников качения и зубьях колес в зоне начальной окружности.

Абразивно-механический износ возникает в тех случая, когда трущиеся поверхности загрязняются мелкими абразивными и металлическими частицами при обработке, например, литых и чугунных изделий. Такие частицы длительное время сохраняют свои режущие свойства и образуют царапины, задиры и, смешиваясь с грязью, выполняют роль абразивной пасты, которая в свою очередь вызывает интенсивное притирание поверхностей и изнашивание сопрягаемых поверхностей.

Молекулярно-механический износ заключается в прилипании одной поверхности к другой, т.е. в их схватывании, что препятствует взаимному перемещению деталей, требует усилий для их перемещений и приводит к вырыванию отдельных частиц с поверхности. Он возникает при недостаточной смазке в сопряжениях, при значительных удельных давлениях, когда две сопрягаемые поверхности сближаются настолько плотно, что между ними начинают действовать молекулярные силы, приводящие к их схватыванию.

Коррозионный износ

Коррозией называется процесс разрушения металлов при их химическом, электро-химическом или биологическом взаимодействии с окружающей средой. Иногда коррозией называют результат этого процесса. Процесс коррозии самопроизвольный, он приводит к снижению свободной энергии вещества, т.е. получению термодинамически более устойчивых по сравнению с исходным металлом соединений. Слежует отличать коррозию от эрозии. Эрозия представляет собой постепенное механическое разрушение металла, на-пример, при истирании трущихся частей механизма.

Вред, наносимый коррозией, огромен. Только черных металлов разрушается до 10% от выпускаемого количестваю Однако ущерб определяется не только чистым весом разрушенного металла, но и в значительно большей степени стоимостью тех конструкций, которые вышли из строя из-за подчас незначительного очага коррозии, а также стоимостью ремонта испорченного оборудования, нередко исключительно трудоемкого и дорогостоящего (например, обнаружение и ремонт поврежденного участка морского кабеля или магистрального трубопровода). В сумму ущерба от коррозии входит и стоимость всех мероприятий по борьбе с коррозией, включая применение многочисленных защитных по-крытий (металлических, лакокрасочных и др.), применение дефицитных и дорогостоящих конструкционных материалов и т.п.

По механизму процесс коррозии классифицируется следующим образом.

1. Химическая коррозия - процесс, протекающий за счет гетерогенной химической реакции без разделения на отдельный стадии. Продукты коррозии образуются непосредственно на участке, подвергаемом коррозии. К ней относят коррозию газовую (например, окисления металла при нагреве) и коррозию в не электролитах.

2. Электрохимическая коррозия - процесс, подчиняющийся законам электрохимической кинетики. В отличие от химической коррозии в этом случае всегда протекают две группы реакций - катодная и анодная, которые не обязательно локализованы на определенных участках поверхности корродирующего образца. За счет возникающего электрического тока возможно удаление продуктов коррозии от участков разрушения.

Различают несколько видов электрохимической коррозии:

* атмосферная коррозия в среде влажного газа, в подавляющем большинстве случаев - в воздушной среде;

* жидкостная коррозия, или коррозия в электролитах, включая расплавленные соли;

* грунтовая или подземная коррозия металлических сооружений, уложенных в землю;

* электрокоррозия, возникающая под действием внешнего источника тока, например, коррозия под действием блуждающих токов, или коррозия (растворение) нерастворимого анода работающего электролизера.

Биохимическая коррозия - процесс, связанный с воздействием микроорганизмов на металл. При этом металл, разрушаясь, или является питательной средой, или подвергается действию продуктов выделения микроорганизмов. Биохимическая коррозия в чистом виде встречается редко, так как следы влаги уже приводят к параллельному протеканию электрохимической коррозии (например, грунтовой).

Общая коррозия называется равномерной, если фронт коррозийного разрушения распространяется параллельно плоскости металла, и неравномерной, если скорость коррозии на различных участках неодинакова.

Примером общей коррозии является избирательная коррозия, которая характерна для сплавов - твердых растворов. Она заключается в разрушении одного из компонентов или одной из структурных составляющих сплава. Например, в случае коррозии латуни разрушается цинк, ионизируясь и переходя в раствор, а поверхностный слой в результате обогащается медью (рис.3.3 в).

Местная коррозия имеет ряд разновидностей, среди которых наиболее распространены следующие:

* коррозия пятнами, в виде отдельных раковин, наименее неравномерная ;

* точечная или питинговая коррозия - разрушение в глубину металла с образованием пор, вплоть до сквозных ;

* межкристаллитная коррозия - разрушение металла по границам кристаллов. При этом внешних проявлений процесса может и не наблюдаться ;

* внутрикристаллитная коррозия - разрушение металла по зернам кристаллов. Этот вид коррозии наблюдается при коррозийном растрескивании, протекающем под влиянием внешних механических нагрузок или внутренних напряжений.

Методы оценки коррозии

Существуют как качественные, так и количественные методы оценки коррозийного процесса. Методы качественной оценки играют вспомогательную, хотя и весьма существенную, роль, позволяя получить представление о характере и интенсивности процесса. Наиболее распространенными среди методов количественной оценки коррозии являются весовой и объемный, а также метод, учитывающий изменение механических или физических свойств корродирующего образца.

Качественная оценка. Сущность этих методов сводится к визуальному контролю:

а) состояния поверхности детали (определение степени равномерности коррозии, характера продуктов коррозии и прочности сцепления их с металлом и др.);

б) состояния раствора, в который погружен испытуемый образец (появление продуктов коррозии в виде осадка, мути и др.);

в) изменение цвета индикаторных растворов.

Индикаторные растворы применяют для определения катодного и анодного участков на корродирующем образце. Так, если поверхность стальной детали покрыть раствором, содержащим красную кровяную соль и фенолфталеин, то на анодном участке появляется синее окрашивание, катодный участок розовеет, так как при коррозии с кислородной деполяризацией происходит подщелачивание католита.

Весовой метод. Если коррозия является общей и равномерной, то глубина коррозии прямо пропорциональна изменению веса испытуемого образца. Эта зависимость и лежит в основе весового метода.

Если продукты коррозии имеют слабое сцепление с металлом и осыпаются или могут быть удалены каким-либо способом, то скорость коррозии определяется по убыли в весе. При этом удаление продуктов коррозии производят или механически или химически за счет растворения образовавшихся соединений. Если продукты коррозии досточно прочно держатся на поверхности, то определяется привес образца. Зная их химический состав, можно рассчитать количество прокорродировавшего металла. Скорость коррозии в этих случаях выражается весовым показателем К, который определяет изменение веса образца, отнесенное к единице площади поверхности за единицу времени. Чаще всего весовой показатель измеряется в г/м2-ч или мг/см2-сутки.

Недостаток весового показателя заключается в невозможности сравнивать между собой металлы с различной плотностью. При одинаковой скорости коррозии свинца и магния, выраженной в г/м2-ч, фактическая глубина коррозии магния будет в 6,5 раза больше. Исправляет этот недостаток глубинный показатель коррозии П, который учитывает плотность металла и имеет размерность мм/год.

Существует 10-балльная шкала коррозийной стойкости металлов, рекомендуемая ГОСТом 13819 (табл. 3.1 ). Группа стойкости служит для более грубой оценки коррозийной стойкости, баллами пользуются для более точной оценки.

Таблица3.1 Десятибалльная шкала коррозийной стойкости металлов (ГОСТ 13819-68)

Размещено на Allbest.ru