Влияние вибрации на интенсивность процесса износа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние вибрации на интенсивность процесса износа

В наше время на исследования различных типов колебаний затрачиваются большие средства. В некоторых случаях, когда колебания желательны, исследования ведутся в целях их регулирования. Чаще задача заключается в выяснении причин возникновения колебаний и в их предотвращении, если это возможно. Рассмотрим вкратце некоторые из обстоятельств, которые инженер учитывает при решении вопроса о том, будет ли роль колебательных процессов существенной для проектируемого объекта.

Если гайка навернута на болт, находящийся под действием переменной нагрузки, то возможно ослабление соединения. Весьма простые опыты показывают, что надлежащим образом подобранная вибрация может привести к ослаблению даже самой плотно посаженной гайки (часто это происходит за несколько секунд). Поэтому в ответственных болтовых соединениях двигателей (например, в узлах крепления крышек подшипников) используют корончатые гайки и гайки с продольными прорезями, которые стопорятся при помощи шплинтов (рис. 1, а и б). Вообще, существует ряд устройств, предотвращающих самоотвинчивание гаек; одно из них показано на рис. 1, в. Стяжные муфты, которые используются на судах в тросах подвески, всегда должны стопориться тем или иным способом. Один из способов заключается в том, чтобы дополнительно соединить муфту с концами тросов проволоками, которые натягиваются при малейшем ослаблении соединения. Сборщик двигателей или такелажник должны уделять подобным деталям большое внимание, так как раскрытие подшипника или разъединение двух частей троса могут привести к серьезным последствиям.

колебание гайка шплинт предотвращение

Правильная работа многих машин зависит от точности формы и размеров деталей. Существенно важную роль, например, может играть точность профилей зубчатых колес. Если возникают вибрации, то скорость износа деталей может значительно увеличиться, и в результате ухудшится работа машины. Вращающаяся шторка камеры для высокоскоростной киносъемки иногда приводится в движение при помощи системы зубчатых колес. Если эта установка в процессе работы испытывает вибрации, то может произойти сильный износ зубьев колес зубчатой передачи, и нарушится необходимая точность процесса киносъемки. Заметим, что небольшие ошибки в геометрии деталей (в данном случае такими деталями являются зубчатые колеса) могут в свою очередь явиться причиной появления вибраций.

При колебаниях в конструкции возникают переменные напряжения, и при достаточно интенсивных колебаниях эти напряжения могут привести к разрушению; именно это случилось с Такомским мостом. Такой эффект можно продемонстрировать, возбудив достаточно интенсивные вибрации куска крупного материала с низкой прочностью при растяжении. Если сильно потереть в продольном направлении стеклянную трубку мокрой тряпкой, то в трубке возникнут продольные колебания, которые могут вызвать ее разрушение.

Разрушение деталей при весьма интенсивных вибрациях - это хотя и нежелательное, но понятное явление. К сожалению, разрушение может наступить и по-иному. Несомненно, что самым неприятным следствием вибрации может явиться усталость металла, армированной пластмассы или какого-либо другого конструкционного материала. Такой тип разрушения обычно столь же катастрофичен, сколь и неожидан. Зачастую усталостное разрушение играет весьма коварную роль, так как обычно ему не предшествуют какие-либо сигналы о надвигающейся опасности: деталь, успешно работавшая в режиме вибраций в течение некоторого промежутка времени, затем внезапно ломается. Несмотря на многолетние исследования, причина этого явления до сих пор полностью не выяснена.

Явление усталости металла легко наблюдать, если поочередно изгибать металлическую полосу в противоположные стороны до тех пор, пока она не сломается. Эта полоса легко выдерживает несколько циклов изгиба, но через некоторое время ее способность к сопротивлению исчерпывается. Явление усталостного разрушения связано с наличием высоких местных напряжении, причем во многих случаях такие высокие напряжения, по-видимому, неизбежны. Усталость может возникнуть, например, в точке поверхности, по которой перекатываются сильно нагруженные шарики (как это имеет место в подшипниках качения); при прохождении каждого шарика возникает импульс напряжения, так что эта проблема в некотором смысле является проблемой колебаний.

Опасность усталостного разрушения стимулирует борьбу с вибрациями станков в большей мере, чем необходимость точной механической обработки. Современные резцы допускают быструю обработку у металла, но их твердость и сопротивляемость износу достигаются лишь ценой понижения выносливости.

Некоторые примеры усталостных разрушений показаны на фото IV. На фото IV, а виден вал, разрушившийся вследствие крутильных колебаний, на IV, б - разрушившаяся пружина клапана автомобильного двигателя; на фото IV, в показано разрушение коленчатого вала автомобиля. Все эти разрушения были вызваны вибрациями. При тщательном изучении изломов можно заметить, что во всех случаях поверхность металла имеет характерную зернистую структуру. Тот факт, что усталостное разрушение начинается в зоне высоких напряжении, хорошо иллюстрируется фотографией IV, а: разрушение началось в углу шпоночной канавки, где, как известно, имеет место концентрация напряжений.

У всех деталей, показанных на фото IV, разрушение было мгновенным. Это вообще характерно для усталостного разрушения, и поэтому последствия усталостного разрушения могут быть весьма серьезными. На фото V, а показан ротор воздушного осевого компрессора реактивного двигателя; при работе он вращается со скоростью порядка 10000 об/мин. Поток воздуха в компрессоре может вызвать вибрации одной или нескольких лопаток, причем после разрушения хотя бы одной лопатки удары ее обломков о другие лопатки могут повлечь разрушения и остальных лопаток (фото V, б). Поэтому вопрос о предотвращении вибраций лопаток газовых турбин имеет чрезвычайно серьезное значение.

В некоторых случаях последствия вибраций являются весьма серьезными и драматичными. Но это бывает не всегда. Тридцать лет назад наблюдалось много случаев разрушений коленчатых валов, но в наши дни такие разрушения происходят относительно редко, во всяком случае в автомобилях с пробегом менее ста тысяч километров. Эта проблема уже решена. Известны также и неприятности, связанные с вибрациями лопаток компрессоров; разработаны меры, которые должны исключить возможность катастроф типа изображенной на фото VI, б. Развитие техники - связано ли оно с принципиально новыми проектами, или же с улучшением (в каком-то смысле) характеристик существующих машин - меняет выдвинуть новые проблемы вибраций, но эти проблемы застанут врасплох лишь недальновидного инженера. Вообще говоря, безопасность нарушается лишь в случаях появления нового, ранее неизвестного вида колебаний, как это имело место при разрушении Такомского моста.

Такомский мост

Лишь в немногих из крупных отраслей промышленности отсутствуют свои хорошо известные проблемы вибраций. Компетентные инженеры хорошо знакомы с вибрациями, и там, где накоплен некоторый опыт, серьезные случаи аварий или выхода из строя машин или других сооружений почти не имеют места. Однако такое накопление опыта добывается лишь ценой непрерывных исследований и требует расходования значительных средств. В некоторых отраслях промышленности признается необходимым вести систематическое изучение проблем вибрации и иногда для этого создают даже специальные централизованные организации. Например, в судостроении считают такой путь наиболее подходящим для решения специфичных для этой области сложных проблем вибрации.

При изучении изнашивания деталей трансмиссии тракторов (игольчатые подшипники карданных передач, шлицевые соединения, зубчатые муфты) экспериментально установлено что наличие высокочастотных составляющих (более 20 Гц) в спектре динамических нагрузок, хотя и не превосходящих 10..20% эксплуатационной нагрузки, приводит к существенному повышению интенсивности изнашивания. Эти данные позволили выдвинуть гипотезу что динамические нагрузки, вызывая переменные деформации материала в контакте сопряженных деталей, приводят к появлению переменного потока магнитной индукции в деформируемом слое. Изменение магнитного потока наводит ЭДС индукции в контуре, образованном сопряженными деталями. Электрическое сопротивление между этими деталями, обусловленное свойствами окисных пленок и смазочного материала, приводит к переменной разности потенциалов в зоне контакта, что служит причиной поверхностной активации и развития окислительного изнашивания, схватывания или даже электроэрозионных процессов, существенно снижающих долговечность сопряжения.

Это явление было названо электродинамическим фактором изнашивания. Для его экспериментального изучения использовались различные сопряжения машин: игольчатые подшипники карданных передач, шлицевые соединения и др. Их подвергали динамическому нагружению на стенде, причем амплитудно-частотные характеристики динамических нагрузок соответствовали их реальным эксплуатационным значениям. Измеряли амплитуду и скорость изменения потока магнитной индукции в сопряжении, электрические потенциалы на поверхностях сопряженных деталей, контролировали состояние поверхностей, электрическое сопротивление между контактирующими деталями, их температуру (среднюю и в стыке), оценивали возможность появления электрических разрядов в зоне контакта сопряженных деталей под действием динамических нагрузок, проводили сравнительные испытания на износ.

Для измерения потока магнитной индукции использовали малогабаритные индуктивные датчики, которые устанавливали в зоне контакта, например, вместо одного из игольчатых роликов подшипника шарнира карданной передачи. Для измерения поверхностных потенциалов сопряженных деталей к каждой из них были припаяны изолированные провода. Электрическое сопротивление в контакте сопряженных деталей измеряли при постоянных нагрузках с точностью до третьего знака. Появление электрических разрядов в контакте под действием динамических нагрузок оценивали с помощью малогабаритной антенны в виде отрезка изолированного провода, размещенного в зоне контакта и соединенного с помощью экранированного и заземленного кабеля с входом транзисторного радиоприемника. При подготовке к испытанию были приняты меры против сетевых помех и влияния внешнего фона электромагнитных волн.

По результатам экспериментов построены кривые ЭДС магнитной индукции в функции амплитудно-частотных характеристик динамических нагрузок. Нарастание ЭДС индукции пропорционально частоте динамического нагружения при неизменных амплитудных значениях этих нагрузок. Следовательно, наибольшие изменения потока магнитной индукции должны быть при высокочастотной части спектра динамических нагрузок.

Увеличение амплитуд динамических нагрузок на фиксированной частоте также приводит к росту ЭДС индукции, однако этот рост замедляется, и кривая напоминает кривую контактной жесткости стыка в функции давления. Характерно, что в процессе сравнительных измерений при постоянной нагрузке в подвижном стыке не обнаружено появления ЭДС индукции. Это доказывает деформационную природу переменного потока магнитной индукции в движущемся контакте при наличии динамических нагрузок.

В экспериментах амплитудные значения разности потенциалов превышали 30 мВ при частоте 50 Гц. Рост максимальных контактных напряжений выше определенного предела (350…400 МПа) приводит к уменьшению электродинамического фактора. При сопоставлении этих данных с результатами измерения электрического сопротивления в контакте между сопряженными деталями замечено, что с ростом давления в контакте сопротивление между деталями снижается, стабилизируясь на минимальном уровне около 0,05 Ом при давлении 350…400 МПа.

Электродинамический фактор изнашивания пропорционален скорости деформирования контакта и электрическому сопротивлению в контакте сопряженных деталей для материалов, обладающих магнитными свойствами.

Увеличение амплитуд динамических нагрузок приводит к появлению двух конкурирующих процессов. С одной стороны рост амплитуд нагрузок увеличивает колебания потока магнитной индукции, а следовательно, и разности потенциалов на контакте. С другой стороны, повышение контактных напряжений снижает электрическое сопротивление в контакте и разность потенциалов на них. Таким образом, наиболее благоприятными с точки зрения электродинамического фактора оказываются высокочастотные динамические нагрузки с малыми амплитудами, особенно при ограниченной постоянной составляющей нагрузки.

На основе исследований электродинамического фактора изнашивания для повышения долговечности деталей узлов машин, работающих в условиях динамического нагружения, рекомендуется:

- снижение динамических нагрузок в высокочастотной части спектра (выше 20 Гц) и создание постоянных контактных напряжений 300… 350 МПа;

- создание остаточных напряжений сжатия в деформируемом поверхностном слое;

- применение электропроводящих смазочных материалов;

- применение шунтирующей электропроводной перемычки между деталями, работающими с малыми взаимными перемещениями;

Список литературы

1. http://vivovoco.rsl.ru/VV/BOOKS/BISHOP/CHAPTER01.HTM

Размещено на Allbest.ru