Факторы определяющие долговечность машин
Долговечность машины определяется ресурсом конструктивных элементов, прежде всего базовых и основных, а затем и всех остальных деталей.
При эксплуатации изменяются их размеры и геометрические характеристики, структура, свойства и напряжённое состояние.
Эти изменения могут иметь монотонный или скачкообразный характер, что в значительной степени зависит от рода трения, условий нагружения, наличия и состава среды, вида смазки и свойств материала.
Основной причиной изменения геометрических размеров деталей и физико-механических свойств их материалов, вызывающей отказы и неисправности, является изнашивание.
Существенное влияние на долговечность машин оказываеткоррозия и старение материалов.
Скорость образования коррозии снижается применением антикоррозионных покрытий и поддерживанием их в требуемом состоянии.
Увеличивает долговечность машин эксплуатация их при оптимальных режимах нагружения, высоком качестве управления, ТО и Р.
Изнашивание деталей машин
Изнашивание – это процесс постепенного изменения размеров элементов конструкции машин при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и его остаточной деформации.
Характер изнашивания (U) элементов машин зависит от многочисленных факторов:
Э – экстремальные факторы:
- характер производимых работ, режимы использования механизма, виды и периодичность технических воздействий;
- климатические условия работы механизма;
- соответствие применяемых смазочных материалов конструкции сборочных единиц;
- соответствие используемых топлив для двигателей.
К – конструктивные факторы:
- вид трения (скольжение, качение, качение с проскальзыванием);
- макрогеометрия поверхностей трения;
- кинематические факторы;
- динамические характеристики работы механизма;
- физико-механические свойства деталей сопряжённых пар.
Т – технологические факторы:
- вид материалов деталей сопряжения;
- способ обработки;
- показатели микрогеометрии поверхности трения;
- твёрдость и износостойкость.
О – субъективные особенности:
- уровень профессиональной подготовки (квалификация);
- антропометрические и физические данные;
- утомляемость;
- быстрота реакции.
Износ – это результат изнашивания, оцениваемый непосредственно по изменению геометрических размеров (линейный износ) или массы детали (весовой износ) или по косвенным признакам.
Количественными характеристиками процесса изнашивания является скорость Vи и интенсивность Jи изнашивания.
Скорость изнашивания:
где U – износ;
t – время, в течение которого возник этот износ.
Интенсивность изнашивания: ,
где Z – путь, на котором происходил износ;
V – объём выполненной работы.
Виды разрушений при трении делят на две группы:
1. Допустимые износы;
2. Недопустимые (повреждаемость).
К допустимым относят: связанные с процессами пластической деформации, активизации тончайших поверхностных слоёв металла, немедленное их взаимодействие с агрессивными компонентами окружающей среды и образование равномерно распределённых по поверхности вторичных структур, облегчающих процесс внешнего трения и препятствующих развитию явления схватывания.
Например, окислительное изнашивание.
К недопустимым разрушениям относят: схватывание I и II рода, изнашивание при фреттинг-коррозии, образование износа, а также выкрашивание материала рабочей поверхности детали в результате усталостных изменений.
Недопустимые разрушения приводят к эксплуатационным отказам, возникающим в результате нарушения установленных правил и условий эксплуатации машин, поэтому их следует рассмотреть более подробно.
Схватывание I рода – это процесс, развивающийся в результате возникновения локальных (местных) металлических связей, деформации и разрушения с отделением частиц металла с рабочей поверхности и налипанием их на противоположную поверхность.
Этот процесс происходит при малых скоростях относительного скольжения поверхностей трения и больших удельных нагрузках, превышающих предел текучести металла на участках фактического контакта.
Схватывание II рода развивается при больших скоростях скольжения и высоких давлениях. Этот процесс сопровождается значительным повышением температуры рабочих поверхностей деталей, образованием трещин, вырывов частиц металла с одной поверхности и переносом их на другую.
Процессы схватывания характерны для подшипников качения и зубчатых колёс механических передач.
Износ при фреттинг-коррозии происходит в результате коррозионно-механического разрушения при малых колебательных перемещениях.
Наблюдается на посадочных поверхностях осей и ступиц колёс, на опорных поверхностях пружин, на затянутых стыках, пригнанных поверхностей шпонок и пазов.
Абразивное изнашивание – это механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твёрдых тел или частиц. Возникает в результате проникновения твёрдых абразивных частиц (кварцевых песчинок) с воздухом, смазкой, топливом в сопряжения трения, а также обусловлено образованием в парах трения продуктов износа.
Подвержены ему элементы ходовой части, трансмиссии, а также РО ДМ.
Усталостное изнашивание – происходит в результате многократного деформирования материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц.
Возникает при трении качения с проскальзыванием.
Под действием нагрузок , не превышающих предела текучести материала детали, на рабочей поверхности возникают усталостные микротрещины, которые постепенно смыкаясь, приводят к образованию частиц износа.
Этот процесс приводит к интенсивному выкрашиванию материала на поверхности детали (питтинг).
Усталостное изнашивание характерно для деталей зубчатых передач, подшипников качения.
При нагрузках выше предела текучести возникает смятие, которое сопряжено с изменением формы детали и объясняется микроскопической и объёмной пластической деформацией металла.
Износ деталей определяют непосредственным измерением с соблюдением правил, предусмотренных действующими ГОСТами и методами. Предпочтителен косвенный метод измерения износа, что относится к технической диагностике.
Оценка долговечности элементов машин
Долговечность определяется характером процесса изнашивания и его интенсивностью.
Закономерность изменения износа элемента в процессе эксплуатации машины можно описать степенной функцией:
где α – показатель степени, зависящий от характера износа.
Для элементов машин, отказ которых происходит в результате износа, существует предельный износ Umax, при котором нарушается работоспособность сборочной единицы или машины в целом.
Ресурс сопряжения в этом случае: .