Классификация видов изнашивания

В процессе эксплуатации оборудование и его элементы, под­вергаясь различным воздействиям, изменяются по состоянию, раз­мерам и свойствам. Эти изменения могут протекать плавно (зако­номерное изменение) и скачкообразно (незакономерное измене­ние). Причины указанных изменений — явления изнашивания, оцениваемые по изменению геометрических размеров элементов машин, их массы или по каким-либо другим косвенным призна­кам (износ вследствие изменения формы без потери массы и др.).

Изнашивание— процесс, приводящий к изменению не только внешних, но и прочностных характеристик элементов машин, что постепенно уменьшает их надежность и ведет к отказам в работе.

Наиболее интенсивно процесс изнашивания протекает в сопря­женных элементах машин, особенно при взаимном их перемеще­нии. На рис. 7 представлены основные факторы, определяющие процессы изнашивания в машинах.

Рис. 7. Основные факторы, определяющие процессы изнашивания в машинах и оборудованиях.

Износ— результат изнашивания, проявляющийся в виде отде­ления или остаточной деформации материала детали. Последстви­ем износа, как правило, является нарушение сопряжений, кинема­тических связей и работы деталей данного узла или механизма в целом.

Изнашивание машин может быть механическим, молекулярно-механическим, коррозионно-механическим, коррозионным.

Механическое изнашивание происходит в результате механи­ческих воздействий и включает следующие виды изнашивания: аб­разивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, устало­стное, кавитационное.

Абразивное изнашивание возникает в результате режущего и царапающего действия твердых частиц. Эти частицы, попавшие извне или отделившиеся (выкрошенные, состроганные и т.п.) от взаимосоприкасающихся и трущихся деталей, в значи­тельной мере увеличивают их износ.

Гидроабразивное изнашивание возникает в ре­зультате воздействия твердых частиц, попавших в поток масляной жидкости, служащей смазкой между деталями.

Газоабразивное изнашиваниевозникает в резуль­тате воздействия твердых частиц, попавших между трущимися де­талями с потоками газа.

Эрозионное изнашивание поверхностей деталей происходит в результате воздействия потоков жидкости или газа, содержащих чрезмерно мелкие твердые частицы или включения.

Газоабразивное изнашивание характерно для двигателей внут­реннего сгорания, а эрозионное — для его частей: клапанной сис­темы, распылителей форсунок, жиклеров карбюраторов и др.

Усталостное изнашивание возникает в результате повторного деформирования материала деталей. Оно возникает и развивается в наиболее напряженных, преимущественно рабочих, поверхностных слоях деталей вследствие длительного действия нагрузок, особенно переменных по значению и направлениям. Мри этом виде изнашивания причиной поломок деталей являются усталостные трещины, которые начинают развиваться в той час­ти поверхности, где действуют растягивающие напряжения, и, как правило, от того места, где появились различного рода риски, забоины, отслоения.

Кавитационное изнашивание проявляется при от­носительном перемещении твердых тел в жидкостной среде. Чаще всего оно наблюдается в гильзах блока цилиндров, систем охлаж­дения и смазки двигателей внутреннего сгорания, лопастей масля­ного и водяного насосов и т.п.

Молекулярно-механическое изнашивание происходит в результате одновременного воздействия механических и молекулярных или атомарных сил. Взаимосоприкасающиеся и трущиеся поверх­ности сопряженных деталей вследствие их неровностей и шерохо­ватостей имеют контакты, через которые передаются значитель­ные удельные нагрузки, поэтому возможны разрывы смазываю­щей пленки (масел, мазей), а при больших относительных скоростях перемещения поверхностей деталей возникает чрезмерный на­грев, приводящий к испарению смазывающей пленки масел или мазей и к схватыванию частиц соприкасающихся деталей. В даль­нейшем происходит отрыв и разрушение мест схватывания деталей. При этом на одной из поверхностей образуется углубле –ние, а на другой — выступ, т.е. происходит перенос металла с одной поверхности на другую.

Рассматриваемый вид изнашивания наблюдается в процессе приработки деталей и элементов машин.

Коррозионно-механическое изнашиваниепроисходит при трении материалов, вступивших в химическое взаимодействие со средой (кислородом воздуха и другими газами). Под действием агрессивной окислительной среды на взаимосоприкасающихся и трущихся повер­хностях деталей образуются пленки окислов, которые в результате механического трения снимаются, а поверхности, освободившиеся от этих пленок, снова окисляются и т.д., т.е. происходит процесс из­нашивания. Примером является изнашивание деталей цилиндропоршневой группы двигателей вследствие наличия в среде таких агентов коррозии, как серная, сернистая и органические кислоты.

Наиболее значительное влияние на процесс изнашивания оказы­вают силы трения, вызывая механический и другие виды износа вза­имосоприкасающихся поверхностей. Причем возникающее в резуль­тате трения изнашивание представляет собой целый ряд одновремен­но протекающих процессов: истирание, смятие, окисление и др.

Процесс истирания возникает при скольжении одной детали машины или ее элемента относительно другой. Это явление назы­вается трением первого рода и происходит вследствие того, что со­прикасающиеся поверхности, как правило, имеют неровности (шероховатости), препятствующие свободному перемещению (скольжению) одной детали по другой. Процесс истирания проис­ходит тем интенсивнее, чем более шероховаты соприкасающиеся поверхности. Интенсивность изнашивания возрастает, если меж­ду соприкасаемыми поверхностями попадают абразивные или другие включения.

Процесс истирания возникает также при взаимном обкатыва­нии поверх –ностей деталей машин под нагрузкой и при ударах. Это явление называется трением второго рода. Оно происходит вслед­ствие того, что в результате обкатывания или ударов на поверх­ностях соприкасающихся деталей появляются микротрещины, а часто и макротрещины, с последующим развитием их в глубину и образованием тонкой пленки металла, которая в дальнейшем вык­рашивается и отслаивается, в результате чего возникает так назы­ваемый износ при крупном разрушении. Причинами такого износа могут быть поверхностная усталость, а также структурные нарушения металла соприкасающихся поверхностей вследствие нагре­ва и ударов. Рассмотренный вид механического износа часто по­является на рабочих поверхностях зубчатых и червячных передач, подшипников качения, различных опорных устройств и т.п.

Рис.8. Изнашивание в сопряженных деталях: а — нарастание износа; б — скорость изнашивания

Коррозионное изнашивание — разрушение металлических час­тей машин под действием окружающей среды, особенно увлаж­ненной. Разрушение при этом виде изнашивания начинается, как правило, с наружных поверхностей, постепенно проникая вглубь. Наиболее распространенный вид коррозии — ржавление, т.е. со­единение металла с кислородом воздуха. В результате коррозии неокрашенные поверхности металлических частей машин сначала покрываются темным налетом, а затем глубокими (если не будут приняты необходимые меры) разъедающими изъянами, при этом металлические части приобретают губчатую непрочную структу­ру. Наибольшему поражению и износу в результате коррозии под­вергаются детали машин с малым содержанием углерода. Интен­сивность коррозии нарастает в присутствии ряда газов и жидко­стей, содержащих кислоты и щелочи.

Различают два вида коррозионных процессов изнашивания: хи­мический и электрохимический.

Химическая коррозия проявляется при воздействии кислорода воздуха и различных газов (углекислого, сернистого), а также жидкостей, не проводящих электрического тока (масел и мазей переработки нефти, различных смол). Интенсивность химического изнашивания деталей зависит от качества материалов, из которых они изготовлены, степени окисляемости при высоких температурах и условий работы (нейтральная или агрессивная среда и др.).

Электрохимическая коррозия возникает в средах, проводящих электрический ток, т.е. в электролитах — растворах солей, кислот, щелочей, а также во влажной атмосфере и почве.

Закономерность нарастания износа элементов оборудования, особенно в их сочленениях, выражается кривой, имеющей три чет­ко выраженных участка, которые характеризуют периоды работы сочленений (рис. 8):

I— период приработки, когда сочленения изнашиваются очень интенсивно, но скорость изнашивания постепенно снижается;

II— период нормальной работы, когда условия на поверхности сочлененных деталей становятся постоянными, а изнашивание протекает с постоянной скоростью;

III— период аварийного, наиболее интенсивного изнашивания, когда износы (зазоры) достигают недопустимых значений.

Период нормальной работы элемента оборудования (сбороч­ной единицы, детали, пр.):

(31)

где — продолжительность приработки деталей; — износ, со­ответствующий максимально допустимому износу (зазору) в со­пряжениях деталей; — износ, соответствующий окончанию при­работки деталей; tg — коэффициент, характеризующий темп скорости изнашивания деталей.

На темп изнашивания нормального периода эксплуатации влияют следующие основные факторы: условия работы — давле­ние, характер нагрузок, относительные скорости, температуры и др.; свойства материалов, их изменяемость в работе; условия со­пряжения, характер контакта сопряженных элементов, качество обработки материала, из которого изготовлены эти элементы; своевременность и качество технических обслуживании; соответствие применяемых топлив и смазочных материалов.

Кроме изнашивания возможны явления пластических дефор­маций элементов оборудования, возникающие вследствие недопу­стимых нагрузок на эти элементы.

Изменения в машинах и их элементах выражаются следующей функциональной зависимостью:

(32)

где — эксплуатационные факторы (характер и особенности производства работ, режимы использования машин, климатичес­кие условия и др.); — конструктивные факторы (кинематичес­кие и динамические особенности машин, свойства материалов, из которых изготовлены их элементы, и др.); — технологичес­кие факторы (вид материалов, из которых изготовлены элементы машин, способы и качество их обработки и др.); — субъектив­ные особенности и квалификация обслуживающего машины пер­сонала (машинистов, слесарей, заправщиков и др.).

Износы в машинах и их элементах подразделяются на мораль­ные и физические.

Моральный износ — снижение стоимости оборудования под влиянием технического прогресса.

Этот вид износа имеет две фор­мы проявления. Моральный износ первой формы — обесценива­ние машин вследствие постоянного роста производительности труда в отраслях, выпускающих эти машины, а также изготовляющих для них изделия, материалы и т.п. Область распростране­ния этой формы морального износа определяется темпами техни­ческого прогресса той отрасли народного хозяйства и связанных с ней отраслей, которые производят указанные машины или ком­плектующие для них изделия, материалы и т.п.

Потеря стоимости оборудования в связи с моральным износом первой формы:

(33)

где — первоначальная стоимость оборудования, руб.; — восстановительная стоимость машины или стоимость полного ее воспроизводства на момент физического износа с учетом появле­ния более совершенных конструкций, руб.

Восстановительная стоимость оборудования через определен­ное время Т:

(34)

где — первоначальная стоимость машины, руб.; р — средне­годовой прирост производительности труда в отрасли и в связан­ных с ней отраслях, выпускающих указанный вид оборудования.

Моральный износ второй формы — обесценивание оборудо­вания вследствие появления новой техники, т.е. аналогичных или близких к ним машин, но более совершенных конструкций. Пока­зателем морального износа этой формы служит коэффициент сни­жения стоимости машин вследствие технического прогресса, вы­раженный в долях от первоначальной ее стоимости:

(35)

Физический износ возникает в результате механического молекулярно-механического и коррозионно-механического изнашива­ний и складывается из износа конструктивных и неконструктив­ных элементов машин. Физический износ появляется как вследствие прямого действия машин и их элементов (износ в результате прямого действия машин), так и вследствие непрямого действия оборудования и отдельных его элементов (износ в результате без­действия оборудования — во время простоев, когда на них влия­ют атмосферные и другие неблагоприятные условия). Износ опре­деляют в процентах: новые элементы в оборудовании (детали, сборочные единицы и др.) принимаются за 100 % годности, а из­ношенные, применение которых является невозможным, — за 100 % износа.

В стоимостном выражении физический износ оборудования определяется (% от стоимости воспроизводства):

(36)

где — сметная стоимость ремонта оборудования, руб.; — восстановительная стоимость оборудования или стоимость пол­ного воспроизводства оборудования на момент физического его износа с учетом появления более совершенных конструкций, руб.; а — относительное значение остаточного износа, которое уста­навливается из опытных данных ремонта подобного оборудова­ния, %.

Ремонт оборудования целесообразен в том случае, если затра­ты на восстановление оборудования будут меньше затрат на при­обретение нового, т.е. < , где — стоимость нового оборудования. При этом нельзя не учитывать степени совершен­ства конструкции, соответственно, и технико -экономических по­казателей как старого, так и нового оборудования.

Общий износ оборудования вследствие физического и мораль­ного износов в долях от первоначальной стоимости:

(37)

где , — остаточные стоимости оборудования в долях от первоначальной стоимости вследствие физического и мо­рального износов; — показатель физического износа оборудо­вания в долях от стоимости ее воспроизводства; — показа­тель морального износа в долях от первоначальной стоимости.

Физический суммарный износ оборудования складывается из из­носов, вызываемых: нагрузками в процессе работы оборудования ( ); нагрузками во время его транспортирования ( ); различ­ными воздействиями при техническом обслуживании, ремонте, хранении ( ):

Рис.9 График суммарного износа машины, состоящей из элементов сменяемых или полностью возобновляемых в различные сроки службы (по укрупненным показателям)

(38)

Суммарный износ оборудования определяют двумя метода­ми — аналитическим и графическим. Наиболее наглядным является графический метод.

По горизонтальной оси (рис.9) откладывают полный срок службы машины Т (принимаемый по нормативным таблицам сроков службы), а по вертикальной оси — максимальный показатель суммированного износа . Сначала определяют износ основного несменяемого и невозобновляемого элемента оборудования (основной рамы, станины и т.п.) с абсолютным значением износа . Прямая линия, проведенная от начала координат до точки , представляет линию суммарного износа рассматриваемого эле­мента. К концу срока службы оборудования этот элемент за время будет полностью изношен (частный износ =100 %).

Для менее долговечных элементов график износа строят в по­рядке убывания сроков службы. Следовательно, для следующего элемента, второго по сроку службы над линией 0— строят ли­нию 0—2 с ординатой в точке 2, соответствующей сроку службы . Этот элемент за срок службы подвергается полному износу дважды (линии 0—2 и 2—2'). Для последующего менее долговеч­ного элемента, третьего по сроку службы, над линией 0—2 строят линию 0—3 суммарного износа и т.д. Отрезки ординат — 2'— 3'; 3'—4' и т.д. будут выражать значения суммарного износа ук­рупненных элементов, изнашиваемых за полный срок службы ма­шины. В данном случае — ордината 0—6' будет представлять ли­нию суммарного износа всей машины.

Срок службы элементов машин принимают по результатам опытной проверки, данных испытаний или по нормативным спра­вочникам.

При определении суммарного износа придерживаются следу­ющего порядка: составляют перечень всех конструктивных и не­конструктивных элементов машины; определяют срок их службы; подбирают конструктивные и неконструктивные элементы по группам, чтобы каждую из них можно было рассматривать как один укрупненный элемент; определяют срок службы и стоимость всех одновременно сменяемых или возобновляемых элементов каждой из указанных групп; составляют таблицу и рассчитывают суммарный износ на любой интервал использования машины или строят график износа по укрупненным показателям.

При определении срока службы или стоимости укрупненных элементов и периодичности их возобновления могут быть исполь­зованы данные о периодичности и средней стоимости соответ­ствующего технического обслуживания и ремонта вместе со сред­ней стоимостью сменяемых при этом запасных частей.