Причины потери работоспособности машины

Эксплуатация машин обычно связана с решением задачи оптимизации эффективности её использования и решения двуединой задачи. Первая задача связана с получением максимально возможного положительного эффекта от использования машины, например, получение максимальной прибыли от реализации продукции, полученной с её помощью. Вторая задача - с необходимостью поддержания машины в работоспособном состоянии и направлена на минимизацию затрат, связанных с проведением ТОиР.

Поэтому причины и закономерности изменения состояния машины всесторонне изучаются и на их основе разрабатываются мероприятия, обеспечивающие возможность оптимизации.

С этой целью осуществляется анализ взаимодействия факторов в системе «человек-машина-среда» [27]. Схема взаимодействия этих факторов показана на рис. 3.3.

В настоящее время машина рассматривается учёными [27, 33, 46, 47 и др .] как изнашиваемая, упругая, термодинамическая и стареющая система, в которой одновременно протекают процессы различной скорости, приводящие к обратимым и необратимым изменениям.

Обратимые изменения происходят в машине за время рабочего цикла, вносят искажение в нормальное выполнение её функций и прекращаются по окончанию технологической операции. Такие процессы могут протекать достаточно быстро (например, вибрации элементов машин), а могу т иметь средние скорости, например, температурные деформации.

Необратимые изменения сохраняются в машине и по окончании её работы и постепенно накапливаются.

В данном разделе мы не рассматриваем влияние среды функционирования машины, а ограничимся только рассмотрением системы «человек - машина», хотя состояние окружающей среды и условия эксплуатации оказывают существенное влияние на выходные параметры машины. Однако влияние среды функционирования можно существенно снизить соблюдением требований производителей к этим факторам.

Значительно большее влияние на формирование технического состояния машины оказывает человеческий фактор. Он обычно рассматривается в двух аспектах: 1 ) - роль человека как управляющего звена и 2) - возможность управления состоянием самого человека.

Рис.3.3. Схема взаимодействия факторов в системе "Человек-машина-среда"

Управляющее воздействие оператора на машину в значительной мере зависит от организации управления и степени автоматизации различных функций машины. Чем меньше степень автоматизации, тем большая роль отводится оператору. Регламентированные включения и выключения, выбор режимов работы, правильность настройки, своевременная замена быстроизнашиваемых элементов - вот неполный перечень факторов, целиком зависящих от человека в системе формирования качества работы и управления техническим состоянием машины.

Производители машин делают всё возможное, чтобы снизить влияние субъективных человеческих факторов на рассматриваемую систему, и в первую очередь это достигается; а) за счёт упрощения процесса эксплуатации и автоматизации операций управления и 6) путём формирования документированных процедур, неукоснительное соблюдение которых до минимума снижает вероятность ошибок оператора. Такой подход производителей машин к функциям оператора практически исключает ошибки эксплуатации при условии соблюдения им всех предписаний эксплуатационной документации.

При такой ситуации второй фактор - возможность управления состоянием оператора - становится даже более весомым, чем первый. Эффективность решения этой проблемы зависит в основном от руководства

предприятия, на котором эксплуатируется машина, от организации и дисциплины производства, создания условий, обеспечивающих выполнение рекомендаций производителя машин. Здесь данный вопрос нами не рассматривается.

Большое значение на параметры машины оказывает человеческий фактор и в сфере ремонтного обеспечения. Опять же, если рассматривать действия производителей как оптимальные с точки зрения формирования стратеги и, технологии и организации ТОиР, информационного и материально- технического обеспечения СТОИРТ, то качество ТОиР {см. [10] и раздел 2.3) будет определяться в основном квалификацией исполнителей ТОиР и соблюдением им и производственной и технологической дисциплины.

При правильно организованной и эффективно функционирующей системе ТОиР удаётся существенно снизить влияние на машину человеческого фактора. Однако при этом ещё раз делаем акцент на то, что такого снижения можно добиться только в случае полного выполнения своих функций производителем машин; изготовления машины, полностью соответствующей требованиям и обеспечения потребителей эффективной системой СТОИРТ. Вопросы, связанные с изготовлением машины, полностью соответствующей требованиям, изучаются специалистами ранее в различных дисциплинах. Общие вопросы обеспечения потребителей эффективной системой СТОИРТ рассмотрены нами в разделе 2.3. В общем случае аналогичный подход к изучению причин и разработке контрмер, направленных на снижение влияния этого фактора можно применить и к третьей рассматриваемой составляющей - протекающим в машине процессам. Изучив физику их формирования и трансформации, можно разработать мероприятия, направленные на предупреждение причин их появления или снижение уровня их воздействия на выходные параметры машины.

К группе факторов, относящихся к рабочей машине, решающее значение имеют рабочие процессы. Их параметры зависят от характеристик обрабатываемого объекта, рабочего органа, режимов работы. Ужесточение рабочих режимов усиливает уровень входных воздействий, интенсифицируя процессы изнашивания и сокращая сроки службы элементов машин. Работа на «мягких» режимах чаще всего приводит к снижению производительности машины. Решение проблемы обычно находится в отыскании оптимальных режимов работы, что обеспечивает наибольшую эффективность машины при экономически оправданных скоростях протекания процессов старения.

Все указанные на рис. 3.3. факторы оказывают суммарное входное воздействие и вызывают в элементах машины обратимые и необратимые процессы различной скорости.

Быстро протекающие процессы имеют продолжительность, измеряемую долями секунды. Это вибрация узлов, изменение сил трения в подвижных соединениях, колебания рабочих нагрузок и т.п. процессы.

Процессы средней скорости связаны с периодом непрерывной работы машины в течение производственного цикла ( смены, продолжительности технологического процесса и т. п.) и длятся минуты и даже часы. Под действием этих процессов в элементах машин происходят как обратимые (например, температурные изменения), так и необратимые (например, износ режущего инструмента) изменения.

Медленно протекающие процессы оказывают влияние при длительных периодах эксплуатации машины. Подавляющее большинство необратимых изменений происходит в результате медленно протекающих процессов. К ним относятся износ подвижных соединений, коррозия, накопление усталостных повреждений и т.п.

Процессы различной скорости оказывают друг па друга взаимовлияние, выражающееся в изменении их относительных величин в течение времени. Так, например, возрастающая в процессе старения величина износа, накопление различных повреждений и т.п. , ухудшают её динамические качества, изменяют характер соединений элементов машины и характер их взаимодействия и т.д. В результате изменяются оптимальные динамические характеристики машины, что приводит к интенсификации процессов средней и медленной скорости. Быстрее повышается температура в подшипниках, ускоряется процесс изнашивания и пр. В конечном итоге происходит интенсификация процессов изменения технического состояния машины. В первую очередь это технические параметры, такие как показатели надёжности, грузоподъёмность, производительность, мощность, потребление энергоресурсов на единицу продукции, жёсткость, уровень вибрации и пр. Изменяются также и показатели безопасности, экономические показатели, эстетические и экологические показатели.

Чтобы уменьшить влияние на показатели технического состояния машины процессов различной скорости, протекающих в её элементах, производители машин должны достаточно точно представлять механизм развития рассмотренных процессов. Результатом такого рода исследования является разработка комплекса мероприятий, направленных на устранение причин накопления необратимых изменений. Чаще всего полное устранение вероятности появления необратимых изменений или невозможно, или экономически нецелесообразно.

Тогда направленность работ по сохранению технико-экономических параметров машины идёт в направлении снижения скорости накопления этих изменений и повышения её ремонтопригодности.

Лекция №5

Виды изнашивания

В зависимости от внешних воздействий, среды и свойств трущихся материалов, при трении могут возникать механические, химические и теплохимические процессы. Один из них всегда преобладает, определяя характер изнашивания. Согласно этому положению исследование ряда сложных явлений при контакте твёрдых тел можно свести в каждом конкретном случае к изучению только одного, преобладающего вида износа.

Механизм изнашивания или разрушения поверхностей трения может быть связан с механическими, молекулярно-механическими или коррозионно- механическими [47] процессами (рис. 4.10).

Приведённая нами классификация несколько отличается от стандартной. Однако это отличие можно объяснить отсутствием единого мнения о природе изнашивания и необходимостью более подробного описания процессов изнашивания.

Тот или иной вид разрушения зависит как от свойств трущихся тел, так и от большого числа внешних факторов и их сочетаний, о которых говорилось выше. Однако в некотором диапазоне изменения внешних факторов вид разрушения остаётся неизменным, типичным для данных условий контактирования.

Механическое изнашивание происходит в результате только механических взаимодействий пар трения; молекулярно-механическое изнашивание сопровождается, кроме этого, воздействием молекулярных или атомарных сил; коррозuонно-механuческое изнашивание происходит при трении материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой. Разновидности этих процессов характеризуются специфическими явлениями, вызывающими разрушение микрообъёмов материала при трении и неодинаковой интенсивностью процессов старения в различных слоях материала.

Абразивное изнашивание, при котором на трущихся поверхностях имеются абразивные частицы, разрушающие поверхность за счет резания и царапания с отделением стружки. Хотя, как правило, принимаются меры для того, чтобы избежать износа этого вида, обладающего большой интенсивностью, часто имеются причины для его возникновения.

Происходит это вследствие недостаточной фильтрации смазки или наличия абразива, попадающего из окружающей атмосферы на поверхности трения. Часто абразивные частицы являются продуктами износа - твердыми образованиями структурных составляющих разрушенных микрообъемов. Некоторые детали машин работают непосредственно в абразивной среде (лемехи плугов, зубья ковша экскаватора и др.).

Следует отметить, что абразивный износ может иметь место и без наличия посторонних частиц, если твердые составляющие одного из сопряженных тел могут отделять микрообъемы контртела в результате режущего или царапающего воздействия.

Гидро- и газоабразивное изнашивание этого вида, когда износ происходит в результате воздействия потока твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа, является разновидностью абразивного изнашивания. Этот вид изнашивания, а также такие, как эрозионное и кавитационное, когда нет контакта двух твердых тел, относят обычно [46, 47] к процессам «разъедания».

Усталостное изнашивание является следствием циклического воздействия на микровыступы трущихся поверхностей, о чем было сказано выше. Отделение частиц может также происходить в результате наклепа поверхностного слоя, который становиться хрупким и разрушается (иногда его называют изнашиванием при хрупком разрушении).

Следует различать контактную усталость поверхностных слоев, которая возникает при чистом качении и проявляется в развитии местных очагов разрушения (питтинг), и усталостный износ, когда при трении скольжения отделение микрообъемов поверхностей связано с усталостной природой разрушения. При разрушении поверхностей таких сопряжений, как кулачок-ролик, зубчатые передачи, опоры качения и др., могут иметь, место оба вида разрушения. При большем проскальзывании основную роль играет изнашивание, которое протекает интенсивнее, чем образование осповидных (питтинговых) разрушений поверхности.

Эрозионнюе изнашивание. Эрозия в широком понятии - процесс поверхностного разрушения вещества под воздействием внешней среды. В машиностроении эрозия имеет более узкое понятие - разрушение поверхности материалов вследствие механического воздействия высокоскоростного потока жидкости, газа или пара. Разрушение металлов под действием электрических зарядов также относится к эрозии. Часто подразделяет эрозию на газовую, кавитационную, абразивную и электрическую. Каждый вид эрозии имеет подвиды, которые являются сочетанием отдельных видов, например, газовая эрозия может быть газоабразивной, газоэлектрической и т. д.

Эрозионное воздействие высокоскоростного потока жидкости, газа или пара в чистом виде слагается из трения сплошного потока и его ударов о поверхность. Врезультате трения происходит расшатывание и вымывание отдельных объемов материала. Эрозия в начальный период на гладкой поверхности развивается весьма медленно, но после появления пораженных мест усиливается. Это можно объяснить повышением хрупкости поврежденного поверхностного слоя в связи с накоплением микротрещин, расклинивающим действием жидкости и усилением ударного действия из-за большого вихреобразования у поверхности.

Разрушению от эрозии часто подвергаются отсечные кромки золотников гидравлических агрегатов, стальные и чугунные поршневые кольца авиационных двигателей и др. детали.

Кавитационное изнашивание. Кавитация дословно означает полость, каверна. Однако под кавитацией понимают явление образования в движущемся по поверхности твердого тела потоке жидкости пустот в виде пузырей, полос и мешков, наполненных парами, воздухом или газами, растворенными в жидкости и выделившимися из нее. Это явление обусловлено следующим. Вдвижущемся с большой скоростью потоке при его сужении и наличии препятствий на его пути давление может уменьшиться до значения, соответствующего давлению парообразования при данной температуре. При этом, в зависимости от сопротивления жидкости растягивающим усилиям, может произойти нарушение сплошности, т.е. разрыв потока. Образующаяся пустота заполняется паром и газами, вьделившимися из жидкости. Воздух, вовлекаемый в поток, облегчает возникновение кавитации. Образовавшиеся парогазовые пузыри размерами порядка десятых дoлей миллиметра, перемещаясь вместе с потоком, попадают в зоны высоких давлений. Пар конденсируется, газы растворяются, и в образовавшиеся пустоты с громадным ускорением устремляются частицы жидкости; происходит восстановление сплошности потока, которое сопровождается ударом.

Кавитация наблюдается в трубопроводах, в гидромониторах и в потоках, обтекающих лопатки центробежных и пропеллерных насосов и лопастей гидравлических турбин и гребных винтов. Явление кавитация вызывает вибрации, стуки и сотрясения, что приводит к расшатыванию крепежных связей, обрыву болтов, смятию резьбы, фрикционной коррозии стыков, нарушению уплотнений и усталостным поломкам. Адгезионное изнашивание связано с возникновением в локальных зонах контакта поверхностей интенсивного молекулярного (адгезионного) взаимодействия, силы которого превосходят прочность связей материала поверхностных слоев с основным материалом. Образование адгезионных связей происходит в процессе механического взаимодействия микровыступов контактирующих тел и сопровождается, как правило, значительным изменением потенциальной энергии поверхностных слоев. Это облегчает проявнение атомно-молекулярных сил, которые зависят от природы контактирующих материалов.

Адгезионное изнашивание всегда связано с фрикционным переносом материала с одного тела на другое или с образованием прослоек. В некоторых: случаях это может оказать благоприятное влияние на фрикционные характеристики пары, например при трении пары металл-полимер, когда полимер переносится на поверхность металла, образуя на ней мономолекулярный слой. Однако при трении металлических пар адгезионное изнашивание приводит, как правило, к схватыванию контактирующих участков, глубинному вырыванию материала, переносу его с одной поверхности трения на другую и воздействию возникших неровностей на сопряженную поверхность. Этот вид износа относится к недопустимым видам повреждения, так как обладает высокой интенсивностью и приводит, как правило, к заеданию и отказу сопряжения.

Изнашивание в условиях избирательного переноса, наоборот, при наличии атомарных явлений в зоне контакта приводит к созданию условий, когда износ трущихся пар практически прекращается. Образовавшийся на поверхности в результат е своеобразных механохимических процессов мягкий и тонкий слой, обогащенный медью, обеспечивает минимальное трение и способствует равномерному распределению давлений по поверхности трения

Коррозионное (окислительное) изнашивание происходит при налиичии на поверхности трения защитных пленок, образовавшихся в результате взаимодействия материала с кислородом.

В общем случае коррозией называют разрушение поверхности металла в результате химического или электрохимического воздействия среды. Чистая металлическая поверхность легко подвергается химическому воздействию среды. Однако если в процессе начавшейся коррозии продукты ее образуют прочно связанную с металлом пленку, изолирующую поверхность от коррозионной среды, то металл приобретает пассивность по отношению к ней. Процесс искусственного образования тонких окисных пленок на поверхности металла для защиты его от коррозии придания изделию лучшего вида называют пассивированием. Способностью к пассивированию обладают железо, никель,, хром, алюминий и друrие металлы. Различают химическую и электрохимическую разновидности коррозии.

Химическая коррозия протекает при взаимодействии металлов с сухими газами и парами и жидкостями, не являющимися электролитами. Остановимся на газовой коррозии. Этому виду коррозии подвержены в большей или меньшей степени цилиндры двигателей внутреннего сгорания, выпускные клапаны, камеры сгорания газовых турбин, элементы паровых котлов и пароперегревателей, арматура печей и т. п. Среди процессов газовой коррозии наиболее часто встречается окисление металла при высоких температурах за счет кислорода воздуха или СО2 и О2 в продуктах сгорания топлива.

На поверхности углеродистой стали газовая коррозия проявляется в виде пленок окислов уже при температуре 200.. З00°С. С повышением температуры примерно до 600°С в связи с образованием под действием внутренних напряжений трещин в защитной пленке скорость коррозии возрастает оставаясь все же довольно низкой. При дальнейшем подъеме температуры скорость коррозии резко увеличивается, и образуется окалина.

Электрохимическая коррозия протекает при действии на металлы жидких электролитов, например, разрушение гребного вала в морской воде при отсутствии протекторной защиты.

Электрохимическая коррозия обусловлена неоднородностью металла в контакте с электролитом. На скорость коррозии влияет температура (с повышением ее коррозия усиливается) и скорость перемещения жидкой среды по металлической поверхности. При значительной скорости относительного перемещения сред коррозия усиливается под деиствием эрозии.

Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит при относительных колебательных перемещениях контактирующих металлических поверхностей в результате вибраций или периодических деформаций элементов конструкции. На участках, поврежденных фретrинг-коррозиеи, протекают процессы схватывания, абразивное разрушение, усталостно-коррозионные явления. Данный процесс является мноrостадийным, который по современным представлениям состоит из следующих этапов. Вначале происходит упрочнение контакта и циклическая текучесть слоев, находящихся на некотором расстоянии от поверхности трения, т.е. подповерхностных слоях. При этом происходит пластическая деформация микровыступов, схватывание локальных участков металла, возникновение и разрушение окисных пленок.

Вторая стадия фиттинг-коррозии (инкубационная) характеризуется развитием коррозионно-усталостных процессов и формированием коррозионно-активной среды вследствие адсорбции на окислах влаги и кислорода. Скорость изнашивания на этой стадии обычно не велика. Износ связан с образованием и удалением из зоны контакта разрушающихся окисных пленок.

Третья стадия фреттинг-коррозии, которая характеризуется высокой интенсивностью процесса, связана с разрушением поверхностных слоев, предварительно разрыхленных усталостными и коррозионными процессами. В зоне контакта может образовываться повышенное количество продуктов износа, что способствует интенсификации процессов разрушения вплоть до абразивного изнашивания. Эта стадия фреттинг-коррозии является недопустимой при эксплуатации изделий.

Водородное изнашивание, как один из процессов разрушения поверхностей при трении скольжения, установлено относительно недавно [32].

Из всех видов разрушения поверхностей при трении скольжения, по-видимому, водородное изнашивание наиболее трудно поддается изучению, несмотря на то, что оно обнаруживается в узлах трения машин различных отраслей техники и по широте проявления может быть сравнимо с абразивным изнашиванием.

Процессы, происходящие при водородном изнашивании, находятся на стыке таких областей науки, как электрохимия, органическая химия, катализ, химия полимеров и смазочных материалов, механохимия и др.

Водородное изнашивание зависит от концентрации водорода в поверхностных слоях трущихся деталей. Он выделяется из материалов пары трения или из окружающей среды (смазочного материала, топлива, воды и др.) и ускоряет изнашивание. Водородное изнашивание обусловлено следующими процессами, происходящими в зоне трения:

- интенсивным выделением водорода при трении в результате трибодеструкции водородосодержащих материалов, создающей источник непрерывного поступления водорода в поверхностный слой стали или чугуна;

- адсорбцией водорода на поверхностях трения;

-диффузией водорода в деформируемый слой стали, скорость которой определяется градиентами температур и напряжений, что создает эффект накопления водорода в процессе трения;

-особым видом разрушения поверхности, связанного с одновременным

развитием большого числа зародышей трещин по всей зоне деформирования

и эффектом накопления водорода, характерным для

разрушения, является мгновенное образование мелкодисперсного

порошка материала.

До последнего времени считали, что при трении максимальная температура возникает на поверхности трущейся детали. Известно, что водород очень легко диффундирует под действием температурного градиента в нагретые участки тела. Поэтому считали, что при трении в случае повышенных температур процесс наводороживания невозможен. Более того, полагали, что имеющийся в детали водород будет уходить из зоны трения. Такие детали, как цилиндры авиационных двигателей, после хромирования не обезводороживали.

Только в последние годы установили, что при тяжелых режимах трения максимальная температура образуется не на поверхности, а на некоторой глубине. Это создает условия, при которых водород, если он будет адсорбирован на поверхности детали, под действием температурного градиента диффундирует в глубь поверхности.

Область проявления водородного изнашивания весьма обширна. 3ащита от водородного изнашивания имеет практическое значение для всех отраслей: авиации, транспорта, машиностроения, деревообработки и др. Практически все трущиеся поверхности стальных и чугунных деталей содержат повышенное количество водорода, а, следовательно, подвержены повышенному изнашиванию. Водородное изнашивание резко снижает срок службы тормозных накладок, тормозных барабанов и дисков сцепления, деревообрабатывающего инструмента, лопаток бензонасосов и др. деталей.

Смазочные материалы