Износ деталей промышленного оборудования

РЕФЕРАТ
на тему:Износ деталей
Омск – 2007

ИЗНОС ДЕТАЛЕЙПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Сущность явления износа
Срок службы промышленногооборудования определяется изно­сом его деталей — изменением размеров, формы,массы или состоя­ния их поверхностей вследствие изнашивания, т. е. остаточнойде­формации от постоянно действующих нагрузок либо из-за разруше­нияповерхностного слоя при трении.
Скорость изнашивания *деталей оборудования зависит от мно­гих причин: условий и режима их работы;материала, из которого они изготовлены; характера смазки трущихся поверхностей;удель­ного усилия и скорости скольжения*; температуры в зоне сопряже­ния;состояния окружающей среды (запыленность и др.).
Величина износахарактеризуется установленными единицами длины, объема, массы и др.Определяется износ по изменению зазо­ров между сопрягаемыми поверхностямидеталей, появлению течи в уплотнениях, уменьшению точности обработки изделия идр. Износы бывают нормальными и аварийными. Нормальным, или естественным,называют износ, который возникает при правильной, но длительной эксплуатациимашины, т. е. в резуль-
* Скорость изнашивания —это отношение значений характеризующих величин к интервалу времени, в течениекоторого они возникли.
тате использованиязаданного ресурса ее работы. Аварий-н ы м, или прогрессирующим, называют износ,насту­пающий в течение короткого времени и достигающий таких разме­ров, чтодальнейшая эксплуатация машины становится невозмож­ной. При определенныхзначениях изменений, возникающих в ре­зультате изнашивания, наступаетпредельный износ, вызывающий резкое ухудшение эксплуатационных качествотдельных деталей, механизмов и машины в целом, что вызывает необходимость еере­монта.
Сущность явления трения
Первостепенной причинойизнашивания деталей (особенно со­прягаемых и трущихся при движении друг одруга) является тре­ние — процесс сопротивления относительному перемещению,возни­кающего между двумя телами в зонах соприкосновения их поверх­ностей покасательным к ним, сопровождаемый диссипацией энер­гии, т. е. превращением ее втеплоту. В повседневной жизни трение приносит одновременно и пользу, и вред.Польза заключается в том, что из-за шероховатости всех без исключения предметовв ре­зультате трения между ними не возникает скольжения. Этим объ­ясняется,например, то, что мы свободно можем передвигаться по земле, не падая, предметыне выскальзывают из наших рук, гвоздь крепко держится в стене, поезд движетсяпо рельсам и т. п. То же самое явление трения наблюдается в механизмах машин,работа которых сопровождается движением взаимодействующих частей. В этом случаетрение дает отрицательный результат — изнашива­ние сопрягаемых поверхностейдеталей. Поэтому трение в механиз­мах (за исключением трения тормозов,приводных ремней, фрикци­онных передач) —; явление нежелательное.
Виды и характер износадеталей
Виды износа различают всоответствии с существующими видами изнашивания—механическое (абразивное,усталостное), коррози­онное и др.
Механический износявляется результатом действия сил трения при скольжении одной детали по другой.При этом виде износа происходит истирание (срезание) поверхностного слояметалла и искажение геометрических размеров у совместно работающих дета­лей.Износ этого вида чаще всего возникает при работе таких рас­пространенныхсопряжений деталей, как вал — подшипник, стани­на — стол, поршень — цилиндр идр. Он появляется и при трении качения поверхностей, так как этому виду трениянеизбежно сопут­ствует и трение скольжения, однако в подобных случаях износбыва­ет очень небольшим.
Степень и характермеханического износа деталей зависят от многих факторов: физико-механическихсвойств верхних слоев  металла; условий работы и характера взаимодействиясопрягаемых поверхностей; давления; относительной скорости перемещения; ус­ловийсмазывания трущихся поверхностей; степени шероховатости последних и др.Наиболее разрушительное действие на детали ока­зывает абразивное изнашивание,которое наблюда­ется в тех случаях, когда трущиеся поверхности загрязняются мел­кимиабразивными и металлическими частицами. Обычно такие час­тицы попадают натрущиеся поверхности при обработке на станке литых заготовок, в результатеизнашивания самих поверхностей, попадания пыли и др. Они длительное времясохраняют свои режу­щие свойства, образуют на поверхностях деталей царапины,зади­ры, а также, смешиваясь с грязью, выполняют роль абразивной пасты, врезультате действия которой происходит интенсивное при­тирание и изнашиваниесопрягаемых поверхностей. Взаимодействие поверхностей деталей безотносительного перемещения вызывает смятие металла, что характерно дляшпоночных, шлицевых, резьбовых и других соединений.
Механический износ можетвызываться и плохим обслуживанием оборудования, например нарушениями в подачесмазки, недоброка­чественным ремонтом и несоблюдением его сроков, мощностнойпере­грузкой и т. д.
Во. время работы многиедетали машин (валы, зубья зубчатых колес, шатуны, пружины, подшипники)подвергаются длительному действию переменных динамических нагрузок, которыеболее отри­цательно влияют на прочностные свойства детали, чем нагрузкистатические. Усталостный износ является результатом действия на детальпеременных нагрузок, вызывающих усталость материала детали и его разрушение.Валы, пружины и другие дета­ли разрушаются вследствие усталости материала впоперечном се­чении. При этом получается характерный вид излома с двумя зона­ми— зоной развивающихся трещин и зоной, по которой произошел излом. Поверхностьпервой зоны гладкая, а второй — с раковинами, а иногда зернистая.
Усталостные разрушенияматериала детали не обязательно долж­ны сразу привести к ее поломке. Возможнотакже возникновение усталостных трещин, шелушения и других дефектов, которые,од­нако, опасны, так как вызывают ускоренный износ детали и меха­низма. Дляпредотвращения усталостного разрушения важно пра­вильно выбрать формупоперечного сечения вновь изготовляемой или ремонтируемой детали: она не должнаиметь резких переходов от одного размера к другому. Следует также помнить, чтогрубо обра­ботанная поверхность, наличие рисок и царапин могут стать причи­нойвозникновения усталостных трещин.
Износ при заеданиивозникает в результате прилипания («схва­тывания») одной поверхности к другой.Это явление наблюдается при недостаточной смазке, а также значительномдавлении, при котором две сопрягаемые поверхности сближаются настолько плот­но,что между ними начинают действовать молекулярные силы, при­водящие к ихсхватыванию.
Коррозионный износявляется результатом изнашивания деталей машин и установок, находящихся поднепосредственным воздейст­вием воды, воздуха, химических веществ, колебанийтемпературы. Например, если температура воздуха в производственных помеще­нияхнеустойчива, то каждый раз при ее повышении содержащиеся
/>
Рис.  1.   Характер механического  износа деталей:
а — направляющих станиныи стола, б — внутренних поверхностей цилиндра, в — поршня, г, д — вала, е, ж —зубьев колеса, з — резьбы винта и гайки, и — дисковой фрикционной муфты; 1 —стол, 2 — станина, 3 — юбка, 4 — перемычка, 5 — днище, 6 — отверстие, 7 —подшипник, 8 — шейка вала, 9 — зазор, 10 — винт, // — гайка; И — места износа,Р » действующие усилия
в воздухе водяные пары,соприкасаясь с более холодными металли­ческими деталями, осаждаются на них ввиде конденсата, что вызы­вает коррозию, т. е. разрушение металла вследствиехимических и электрохимических процессов, развивающихся на его поверхности. Подвлиянием коррозии в деталях образуются глубокие разъеда­ния, поверхностьстановится губчатой, теряет механическую проч­ность. Эти явления наблюдаются, вчастности, у деталей гидравли­ческих прессов и паровых молотов, работающих всреде пара или воды.
Обычно коррозионный износсопровождается и механическим износом вследствие сопряжения одной детали сдругой. В этом слу­чае происходит так называемый коррозионно-механи-ч е с к ии, т. е. комплексны и, износ.
Характер механическогоизноса деталей. Механический износ деталей оборудования может быть полным, еслиповреждена вся             
поверхность детали, илиместным, если поврежден какой-либо ее участок (рис. 1, а—и).
В результате износанаправляющих станков нарушаются их плоскостность, прямолинейность ипараллельность вследствие дей­ствия на поверхности скольжения неодинаковыхнагрузок. Напри­мер, прямолинейные направляющие 2 станка (рис. 1, а) под влия­ниембольших местных нагрузок приобретают вогнутость в средней части (местныйизнос), а сопрягаемые с ними короткие направляю­щие 1 стола становятсявыпуклыми.
Цилиндры и гильзы поршнейв двигателях, компрессорах, моло­тах и других машинах изнашиваются тоженеравномерно (рис. 1, б). Износ происходит на участке движения поршневых колец ипроявляется в виде выработки внутренних стенок цилиндра или гильзы. Искажаетсяформа отверстия цилиндра — образуются от­клонения от цилиндричности и круглости(бочкообразность), возни­кают царапины, задиры * и другие дефекты. У цилиндровдвигателей внутреннего сгорания наибольшему износу подвергается их верхняячасть, испытывающая самые высокие давления и наибольшие темпе­ратуры. Вкузнечно-прессовом оборудовании, наоборот, наиболь­ший износ появляется внижней части цилиндра — там, где нахо­дится поршень во время ударов. Износпоршня (рис.1, в) прояв­ляется в истирании и задирах на юбке
Износ валов (рис. 1, г, Д)проявляется возникновением различ­ных дефектов: валы становятся изогнутыми,скрученными, а также изломанными вследствие усталости материала; на их шейкахобра­зуются задиры; цилиндрические шейки становятся конусными илибочкообразными. Отклонения от круглости приобретают также от­верстия подшипниковскольжения и втулок. Неравномерность из­носа шеек валов и поверхностейотверстий во втулках при вращении вала — результат действия различных нагрузокв разных направле­ниях. Если на вал во время вращения действует только сила еготяжести, то износ появляется в нижней части подшипника (см. рис. 1, г, слева).
В зубчатых передачахнаиболее часто изнашиваются зубья: образуются задиры, зубья изменяют своюформу, размеры и выламываются. Поломка зубьев, появление трещин в спицах, ободеи ступице зубчатых колес, износ посадочных отвер­стий и шпонок происходит потрем основным причинам: 1) перегруз­ка зубчатой передачи; 2) попадание в неепосторонних тел; 3) не­правильная сборка (например, крепление зубчатых колес навалу с перекосом осей).
Ходовые винты имеюттрапецеидальную или прямоугольную резьбу. У винта и его гайки изнашиваетсярезьба, витки становятся тоньше (рис.1, З.). Износ резьбы у винтов, какправило, неравно-
* Задир — повреждениеповерхности трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения. мерный,так как подавляющая часть деталей, обрабатываемых на станках, имеет меньшуюдлину, чем ходовой винт. Сильнее изнаши­вается та часть резьбы, котораяработает больше. Гайки ходовых винтов изнашиваются быстрее, чем винты. Причиныэтого таковы: резьбу гаек неудобно очищать от загрязнений; гайки в ряде случаевнеудовлетворительно смазываются; у гайки, сопряженной с вин­том, участвуют вработе все витки резьбы, тогда как у винта одно­временно работает тольконебольшая часть его витков, равная числу витков гайки.
У дисковых муфт врезультате действия сил трения наибольшему износу подвергаются торцы дисков(рис. 1, и); их поверхности истираются, на них появляются царапины, задиры,нарушается плоскостность.
В резьбовых соединенияхнаиболее часто изнашивается профиль резьбы, в результате в них увеличиваетсязазор. Это наблюдается в
/>
а)       б)
Рис. 2. Износ подшипниковкачения:
а — вследствие перекоса,б — при проворачивании внутреннего кольца на валу, в — из-за чрезмерногонатяга, г — из-за неисправного сальника; И — места износа
сопряжениях не толькоходовых, но и зажимных, например зажим­ных винтов часто отвертываемых крепежныхболтов. Износ резьбо­вых соединений — результат недостаточной или, наоборот,чрез­мерной затяжки винтов и гаек; особенно интенсивен износ, если ра­ботающеесоединение воспринимает большие или знакопеременные нагрузки: болты и винтырастягиваются, искажаются шаг резьбы и ее профиль, гайка начинает «заедать». Вэтих случаях возможны аварийные поломки деталей соединения. Грани головокболтов и гаек чаще всего изнашиваются потому, что их отвертывают несоот­ветствующимиключами.
В шпоночных соединенияхизнашиваются как шпонки, так и шпоночные пазы. Возможные причины этого явления— ослабление посадки детали на валу, неправильная подгонка шпонки по гнезду.
В подшипниках качениявследствие различных причин (рис. 2, а—г) износу подвержены рабочие поверхности— на них появляют­ся оспинки, наблюдается шелушение поверхностей беговыхдорожек и шариков. Под действием динамических нагрузок происходит ихусталостное разрушение; под влиянием излишне плотных посадок подшипников на вали в корпус шарики и ролики защемляются между кольцами, в результате чеговозможны перекосы колец при мон­таже и другие нежелательные последствия.
Различные поверхностискольжения также подвержены характер­ным видам износа (рис. 3). В процессеэксплуатации зубчатых пе­редач вследствие контактной усталости материаларабочих поверх­ностей зубьев и под действием касательных напряжений возникаетвыкрашивание рабочих поверхностей, т. е. отделение частиц мате-
/>
Рис.3.  Характерные видыизноса поверхностей скольжения:
а — выкрашивание, б —отслаивание, в — коррозия, г — эрозия, д — царапины, е — зади­ры, ж —налипание, з — глубинный вырыв материала и перенос его с другой поверхноститрения риала, приводящее к образованию ямок на поверхности трения (рис. 3, а).Разрушение рабочих поверхностей зубьев вследствие интенсивного выкрашивания(рис. 3, б) часто называют отслаива­нием (происходит отделение от поверхноститрения материала в форме чешуек).
На рис. 3, в показанаповерхность, разрушенная коррозией. Поверхность чугунного порошкового кольца(рис. 3, г) повреж­дена вследствие эрозионного изнашивания, которое происходитпри движении поршня в цилиндре относительно жидкости; находящиеся в жидкостипузырьки газа лопаются вблизи поверхности поршня, что создает местное повышениедавления или температуры и вызы­вает износ деталей. На поверхности тормозногобарабана (рис. 3, д) показаны риски, которые появляются при воздействии на вра­щающийсябарабан твердого тела или твердых частиц. Задиры (рис. 3, е) образуются врезультате схватывания поверхностей при трении вследствие действия между нимимолекулярных сил. На рис. 3, ж показана рабочая поверхность детали с налипшимина нее посторонними частицами, а на рис. 3, з— поверхность де­тали с износомпри заедании в результате схватывания — глубинно­го вырыва материала и переносаего с другой поверхности трения.
Признаки износа
Об износе деталей машиныили станка можно судить по характе­ру их работы. В машинах, имеющих коленчатыевалы с шатунами (двигатели внутреннего сгорания и паровые, компрессоры, эксцент­риковыепрессы, насосы и др.), появление износа определяют по глухому стуку в местахсопряжений деталей (он тем сильнее, чем больше износ).
Шум в зубчатых передачах— признак износа профиля зубьев. Глухие и резкие толчки ощущаются каждый раз,когда меняется направление вращения или прямолинейного движения в случаяхизноса деталей шпоночных и шлицевых соединений.
Износ в сборочныхединицах станка можно установить не только на слух, но и по виду поверхностейзаготовок, обработанных, на этом станке. Если, например, при обработкезаготовки на токарном станке на ее поверхности появляются через равныепромежутки кольцевые выступы или впадины, то это означает, что в фартуке станкаизносились зубья реечного колеса и рейки; движение суппор­та вместо плавногостало прерывистым. Этот дефект часто вызывает­ся также износом направляющихстанины и каретки суппорта, на­рушающим соосность отверстий фартука и коробкиподач, через которые проходит ходовой вал.
Следы дробления наобтачиваемом валике, установленном в ко­ническом отверстии шпинделя,свидетельствует об увеличении за­зора между шейками шпинделя и его подшипникамивследствие их износа. Если обрабатываемая на токарном станке заготовка получа­етсяконической, значит изношены подшипники шпинделя (главным образом передний) инаправляющие станины, а если овальною— изношена шейка шпинделя, принявшая формуовала. Увеличение мертвого хода * укрепленных на винтах рукояток сверхдопустимо­го — свидетельство износа резьбы винтов и гаек.
Об износе деталей машинчасто судят по появившимся на них царапинам, бороздкам и забоинам, а также поизменению их формы. Детали машин, работающие со значительными знакопеременныминагрузками, осматривают через увеличительное стекло (лупу), проверяя, нет ли уних мелких трещин, которые могут послужить в дальнейшем причиной поломки. Внекоторых случаях проверку осуществляют с помощью молотка: дребезжащий звук приобстуки­вании детали молотком свидетельствует о наличии в ней значитель­ныхтрещин.
О работе сборочных единицс подшипниками качения можно судить по характеру издаваемого ими шума. Лучшевсего выполнять такую проверку специальным прибором — стетоскопом. При егоотсутствии пользуются металлическим прутком, который приклады-
* Под мертвым ходомподразумевают некоторый свободный угол пово­рота рукоятки, прежде чем оназаставит двигаться соединенную с ней де­таль. Для суппорта токарного станкадопустимый мертвый ход рукоятки — */4о оборота винта. вают закругленным концомк уху, а заостренным — к тому месту, где находится подшипник: при нормальнойработе слышен слабый шум — равномерное тонкое жужжание; если работа подшипниковнарушена, возникают сильные шумы. Свист или резкий (звенящий) шум указывает наотсутствие в подшипнике смазки либо на защем­ление шариков или роликов междубеговыми дорожками внутренне­го и наружного колец. Гремящий шум (частые звонкиестуки) озна­чает, что на шариках, роликах или кольцах появились язвины либо вподшипник попала абразивная пыль или грязь. Глухие удары сигнализируют обослаблении посадки подшипника на валу и в корпусе.
Работу подшипника можнопроверять и по нагреву, определяе­мому на ощупь наружной стороной кисти руки,которая безболез­ненно выдерживает температуру до 60 °С. Так, например,определя­ют повышенный нагрев подшипников, который может быть следстви­емзащемления шариков или роликов между беговыми дорожками в результате отклоненияот соосности опор или возникать из-за отсутствия смазки (особенно в техслучаях, когда вал вращается с большой частотой). Перегрев подшипника можетпоявиться при больших частотах вращения вала также в случае избытка смазочно­гомасла или его повышенной вязкости, создающей дополнительное сопротивлениевращению вала. Значительный нагрев вызывает уско­ренный износ подшипников.
Тугое проворачивание валасвидетельствует об отсутствии соос­ности между ним и подшипником или очрезмерно тугой посадке подшипника на валу или в корпусе. Дребезжащий стук вцилиндре компрессора сигнализирует о поломке или повышенном износе поршневыхколец, а глухой — об износе поршня и цилиндра. Стук маховика может бытьследствием нарушения его посадки на валу. Недостаточное давление впневмосистеме является результатом утечки сжатого воздуха из соединенийтрубопроводов, пробуксовки приводных ремней, износа цилиндра, поршня и другихдеталей компрессора.
Особенности выбораматериалов при ремонте
Одним из критериев выбораматериалов для изготовления новых деталей при ремонте является износостойкость,которая в основном определяется твердостью/Если твердость материала сопрягаемыхдеталей выше твердости абразива, то износ мал 7 Износостойкость можетдостигаться и таким образом: одну деталь (например, вал) выполняют из материалавысокой твердости, а другую (подшипник скольжения) — из мягкогоантифрикционного (бронзы, баббита, металлокерамики и др.), в зависимости отусловий эксплуатации и требований, предъявляемых к деталям, выбирают материалдля изготовления последних. Например, к твердости шеек шпинделей (легких исредних), работающих в подшипниках скольжения, предъ­являют повышенныетребования, поэтому их закаливают ТВЧ, достигая твердости НКС 54—60; шпинделиизготовляют из стали
40Х. Такие же шпиндели,работающие в подшипниках качения, изготовляют из стали 45 и улучшаюттермообработкой до НКС 23-27.
Ходовые винты (средние илегкие) токарных станков должны обладать высокой износостойкостью и минимальнодеформировать­ся. Их изготовляют из стали 45, подвергая сначала предварительно­му,а затем вторичному отжигу после обдирки. Червяки, работающие на большихскоростях,, изготовляют из стали 12ХНЗА, цементиру­ют и закаливают с низкимотпуском до НКС56; червяки, работаю­щие на средних скоростях, выполняют изстали 45 и закаливают с отпуском до НRС 23—30. Пружины изготовляют из стальной(марки 65Г) проволоки диаметром менее 6 мм, затем подвергают закалке и отпускудо HRC 58—62.