Закономерности механического износа

Износ в машинах

Изнашивание – изменение размеров, объема и формы элементов машины под действием рабочих нагрузок и окружающей среды.

Рабочие нагрузки могут быть механические, электронные, магнитные, тепловые и др.

Окружающая среда для ГМ – угольная и породная пыль, температурный режим, шахтная вода.

Износ – результат изнашивания.

Износ бывает:

- моральный (определяется уровнем НТР). Оборудование считается устаревшим, когда появляются машины, обеспечивающее более высокий ТЭП, экономию или отвечающие более высоким социальным требованиям. Срок морального изнашивания – 10-15 лет;

- физический (износ, обусловленный физическим изменением параметров детали).

По степени интенсивности различают физический износ:

- аварийный (скорость выше нормы) – ведет к аварии или мгновенной потери работоспособности машины, является устранимым при устранении причин, вызвавших его:

1) ошибки при конструировании;

2) недостатки технологии производства и эксплуатации машин;

3) применение машин не по назначению;

4) несвоевременное проведение ТО и Т;

5) несоответствие видов смазки.

- естественный (нормальная скорость) – неустраним на современном этапе; определяет задачу создания новых износостойких материалов или смазок. Вид и характер износа зависит от условий эксплуатации детали:

1) от скорости скольжения;

2) от наличия динамического нагревания;

3) от перегрузок узлов трения;

4) от вида смазки;

5) от влияния внешней среды.

Основные типы естественного износа:

- механический износ;

- окислительный износ;

- эрозия;

- старение материала.

1.Механический износ сопровождается процессом резания, истирания, выкрашивания и делится на виды:

а) молекулярное взаимодействие, при котором происходит схватывание

поверхности друг с другом или, так называемый, «образ мостика». Возникает в мягких материалах и приводит к задирам поверхности.

б) фрейтинг-износ – возникает при высоких нагрузках в сопряжениях и колебательных перемещение поверхности друг относительно друга, его разновидность – фрейтинг-коррозия. Такому износу подвержен шлицевые, болтовые, шпоночные соединения и т. д. Путь устранения – устранение колебаний.

в) питтинг-износ – разрушение поверхности материала под действием переменных контактных напряжений. Проявляется только на поверхности детали в виде мелких раковин или оспин. Наблюдается в телах качения или в телах, которым характерно качение с проскальзыванием – подшипники или зубчатые колёса. Физика процесса: многократное нагревание, деформация поверхностного слоя => трещины.

Глубина микротрещин:

где S — площадь контакта детали.

Разновидность питтинг-износа – разрушение цементационного слоя, когда трещины находятся под ним.

г) усталостный износ обусловлен действием циклических переменных нагрузок, возникновением в материале напряжений растяжения или изгиба. Наблюдается в валах, зубчатых передачах.

Физика процесса: в результате многократного изменения напряжения в материале накапливаются остаточные деформации, которые обуславливают накопление повреждаемости. В месте максимального накапливания повреждаемости появляются микротрещины, которые являются концентраторами напряжений. Далее микротрещины развиваются в трещины по всему сечению детали, и после этого наступает хрупкий износ детали.

д) кавитационный износ – наблюдается в электротехнической поверхности слоёв детали ГМ, которые находятся в контакте с жидкостями, имеющими переменную скорость.

Физика процесса: под действием гидравлического давления в метах его падения из рабочей жидкости выделяются пузырьки воздуха. При попадании пузырьков в зону высокого давления происходит их дробление и у поверхности детали происходит их взрыв, выделение большого количества энергии, повышается местное давление, разрушается поверхностный слой детали.

е) гидроабразивный износ – одна из разновидностей кавитационного износа, только здесь в жидкости имеются абразивные частички (элементы трубопровода ГМ, насосы и другие).

ж) газоабразивный износ: мимо поверхности детали протекает поток воздуха, содержащий абразивные частицы (крыльчатка вентиляторов).

2. Окислительный износ (коррозия) – возникает под химическим воздействием внешней среды и разрушает поверхности деталей:

а) химическая коррозия – в средах, не проводящих электрический ток и не содержащих воды;

б) электрохимическая коррозия – в электроматериалах.

Коррозия приводит к трём разновидностям повреждений:

· равномерная коррозия всего поверхностного слоя;

· разъедание детали в зоне застоя, где образуется эпицентр ржавчины;

· микрокристаллическая коррозия – наблюдается по всему сечению детали, деталь при этом теряет свои прочностные свойства.

Детали, повреждённые коррозией, не имеют придела усталости.

3. Эрозия в ГМ не наблюдается.

4. Старение — изменение химического состава и структуры материала (наиболее ярко проявляется в материалах органического происхождения в полимерах).

Закономерности механического износа

Экспериментально установлено, что износ подчиняется следующему закону:

S – зазор в сопряжении

t – время работы

I – стадия приработки

II – нормальная работа

III – аварийная работа

Sн — начальный зазор

Sнор — нормальный зазор

Sпр — предельно допустимый зазор

I: характеризуется повышенной скоростью изнашивания и обусловлено притиркой элементов сопряжения друг с другом вследствие истирания поверхностей деталей, вызванного наличием шероховатостей после изготовления, а так же ненормальной работой смазки.

II: нормальный режим изнашивания, нормальный режим смазки. С увеличением зазора смазка ухудшается, что ведёт к этапу III.

Сокращение этапа I достигается за счёт конструктивных или технологических операций. При заводском испытании применяется форсированный режим приработки (работа в смазке с абразивом под нагрузкой выше рабочей). Трудность такой операции: сложно точно определить нагрузку и время работы, так чтобы машина не попала из зоны I в зону II.

Удлинение периода II может быть обеспечено на основании:

· конструкторских мероприятий;

· технологических мероприятий (подбор материала, обработка и др.). По возможности обрабатывать поверхность методом пластического деформирования;

· эксплуатационных мероприятий – своевременное ТО и своевременная замена изношенных частей (обычно меньше одной детали).

Изнашивание измеряется в абсолютных (единица массы, единица объема, единица длины) и относительных ( путь трения, выполненная работа, время работы машины) единицах.

В соответствии с выбранным вариантом заданной фактической наработки различают:

1) скорость изнашивания