Износ деталей в механизмах. Виды, возникновение износа

Работа любого производственного оборудования сопровождается естественными процессами ухудшения его эксплуатационных характеристик, изменением свойств деталей и узлов. Однако, накапливаясь, они могут привести к серьезным поломкам или полной остановке машин.

Чтобы избежать негативных экономических последствий, связанных с простоем оборудования на время его ремонта, предприятия организовывают процесс управления износом и своевременно обновляют свои технические фонды.

Что же такое износ и какие виды этого процесса известны? Какими способами замедлить разрушение деталей, продлить ресурс и энергоэффективность машин? На эти и другие вопросы ответим далее.

7.1. Виды механического износа

Механический износ

— процесс постепенного разрушения поверхностей деталей при относительном движении.

Основная функция визуального осмотра трущихся поверхностей

— определение вида изнашивания и постановка диагноза, позволяющая принять рациональные ремонтные воздействия, снижающие скорость износа. []

Основные виды механического износа

приведены в таблице 7.1 [].

Таблица 7.1 — Основные виды механического износа

К эрозионным видам износа относят [1]:

• эрозионное изнашивание
  — твёрдые частицы, движущиеся в потоке газа или жидкости, оказывают на поверхность металла многократные локальные импульсные удары, вызывающие расшатывание и вымывание поверхностного слоя деталей (эрозию);
• электроэрозионное изнашивание
  — эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия электрического тока, при этом происходит частичный перенос металла с одного контакта на другой и распыление металла;
• кавитационное изнашивание
  — гидроэрозионное изнашивание при движении твёрдого тела относительно жидкости и наоборот, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, создавая местное повышение давления.

К дополнительным видам износа относят (таблица 7.2) [].

Таблица 7.2 — Дополнительные виды износа

Абразивный

Заключается в разрушении поверхностного слоя материала в ходе контакта с более твердыми частицами других материалов. Характерен для механизмов, работающих в условиях запыленности:

• горное оборудование;
• транспорт, дорожно-строительные механизмы;
• сельскохозяйственные машины;
• строительство и производство стройматериалов.

Противодействовать ему можно, применяя специальные упрочненные покрытия для трущихся пар, а также своевременно меняя смазку.

7.2. Виды разрушений и изломов

Излом

— разрушение детали, вызванное низким качеством материала, дефектами изготовления, нарушением правил эксплуатации, случайными механическими повреждениями и другими факторами. []

Вид излома позволяет определить причины его возникновения (таблица 7.3).

Таблица 7.3 — Основные виды изломов

Правила при очистке и осмотре излома [1]:

• не удалять с поверхности излома неплотно прилегающие фрагменты;
• не пытаться сложить вместе части разрушенной детали;
• не протирать излом ветошью и щётками;
• очистка излома проводится обдувкой сжатым воздухом с последующим погружением в керосин.

Особенности дефектов закалки

приведены в таблице 7.4. []

Таблица 7.4 — Дефекты закалки

Тепловой

Тепловой вид старения заключается в разрушении поверхностного слоя материала или в изменении свойств глубинных его слоев под воздействием постоянного или периодического нагрева элементов конструкции до температуры пластичности. Повреждения выражаются в смятии, оплавлении и изменении формы детали. Характерен для высоконагруженных узлов тяжелого оборудования, валков прокатных станов, машин горячей штамповки. Может встречаться и в других механизмах при нарушении проектных условий смазки или охлаждения.

7.3. Повреждения подшипников качения

Следы радиальной силы, приложенной в одной точке, постоянной по направлению

, при вращающемся внутреннем и неподвижном наружном кольце проявляются в виде непрерывного следа на внутреннем кольце и местном изнашивании наружного кольца (рисунок 7.1). []

Если неподвижным является внутреннее кольцо, а подвижным наружное, тогда воздействие постоянной радиальной силы проявится в виде непрерывного следа износа на наружном кольце и местном изнашивании внутреннего кольца.

При деформации наружного кольца подшипника

в результате отклонений формы посадочного места на наружном неподвижном кольце появится осповидное выкрашивание в двух точках (рисунок 7.2).

Рисунок 7.2 — Осповидное выкрашивание в двух местах на беговой дорожке наружного кольца двухрядного сферического радиального роликоподшипника при отклонении формы посадочного места крышки подшипника

Радиальная сила, приложенная в одной точке, совершающая периодическое колебательное движение в ограниченном секторе

приводит к местному изнашиванию наружного и внутреннего колец подшипника (рисунок 7.3). Такой вид изнашивания характерен для шарнирных механизмов, в которых вал совершает колебательные движения.

Рисунок 7.3 — Местное изнашивание беговой дорожки наружного кольца двухрядного радиального роликоподшипника при колебательном движении

Радиальная сила, вращающаяся вместе с валом

, приведёт к появлению постоянного следа износа на неподвижном наружном кольце и местного выкрашивания на внутреннем кольце (рисунок 7.4).

Рисунок 7.4 — Местное выкрашивание внутреннего кольца шарикоподшипника при вращающейся радиальной силе, неподвижном наружном кольце и одновременном воздействии осевой силы

Осевая сила, действующая в продольном направлении

, вызывает смещение следов износа на кольцах подшипника (рисунок 7.4). Дополнительно, о воздействии осевой силы можно судить по наличию засветлений на торцах роликов (рисунок 7.5).

Рисунок 7.5 — Высветления на торцах роликов одной из беговых дорожек двухрядного радиального роликоподшипника при воздействии осевой силы

В подшипниковом узле имеются как неподвижные, так и подвижные контактирующие поверхности деталей. Осмотр подшипника качения проводится последовательно от посадочной поверхности подшипника в корпусе механизма к посадочной поверхности внутреннего кольца на вал.

Если поверхности внутреннего кольца и вала неподвижны, то внутреннее кольцо подшипника имеет матовую поверхность (рисунок 7.6).

Рисунок 7.6 — Матовая поверхность внутреннего кольца подшипника при неподвижной посадке на вал

Ослабление посадки подшипника

в результате ошибок монтажа, эксплуатации часто приводит к проворачиванию подшипника на валу и в корпусе (рисунок 7.7). Проворот подшипника сопровождается увеличением температуры узла, изменением характера шума и вибрации и приводит к недопустимому износу корпусных деталей.

Рисунок 7.7 — Следы проворачивания колец подшипника

Фреттинг-коррозия

возникает при перемещении контактирующих поверхностей под воздействием переменных сил или вибраций. Проявляется в виде интенсивного окисления поверхностей, тёмных пятен на посадочных поверхностях колец подшипников (рисунок 7.8). Приводит к стуку, ударам при работе подшипника. При дальнейшем развитии может служить причиной зарождения усталостных трещин.

Если нагрузка неравномерно распределяется по длине ролика или между рядами тел качения двухрядного подшипника (рисунок 7.9), то долговечность подшипника значительно снижается. Причина — перекос корпуса подшипника

.

Осмотр внешних торцевых поверхностей колец подшипника позволяет подтвердить проворачивание колец

или определить
наличие контакта подшипника с рядом расположенной деталью
(рисунок 7.10).

Рисунок 7.10 — Кольцевые риски на торцевой поверхности внутреннего кольца — результат контакта кольца подшипника с неподвижной деталью

Осмотр беговых дорожек внешнего и внутреннего колец позволяет установить характер контакта тел качения и беговой дорожки. Перекос вала

относительно корпуса подшипника может быть зафиксирован по треугольному следу при колебательном характере нагружения подшипника (рисунок 7.11).

Рисунок 7.11 — Треугольная форма контакта кольца с роликом при перекосе вала относительно корпуса двухрядного роликового радиального подшипника

Трещины поперек беговых дорожек — результат воздействия динамических нагрузок, ударов или ошибок монтажа

(рисунок 7.12а). Сколы бортов колец — результат динамических воздействий осевой силы (рисунок 7.12б).

Трещины, расположенные вдоль кольца подшипника, — результат отсутствия тепловых зазоров

при нагреве механизма. Возникающая при тепловом расширении осевая сила приводит к исчезновению радиального зазора и возникновению значительных радиальных сил, способных привести к разрушению наружного кольца (рисунок 7.13).

Рисунок 7.13 — Разрушение наружного кольца шарикоподшипника при отсутствии теплового зазора

Увеличенная осевая игра

пары радиально-упорных шариковых подшипников приводит при возникновении продольной силы к появлению гранности или к осповидному выкрашиванию на нерабочей части беговой дорожки (рисунок 7.14).

Бринеллирование проявляется в появлении вмятин на беговых дорожках с шагом, равным шагу тел качения. Оно является следствием ударных воздействий во время монтажа

(рисунок 7.15).

Рисунок 7.15 — Бринеллирование на беговых дорожках упорного шарикоподшипника — вмятины с шагом, равным шагу тел качения

Ложное бринеллирование возникает при оттоке смазки

с поверхностей качения подшипников
неработающей машины
в результате механических колебаний, передающихся от работающих механизмов. Проявляется в виде повреждений рабочей поверхности подшипника, расположенных с шагом равным шагу тел качения (рисунок 7.16).

Рисунок 7.16 — Следы ложного бринеллирования на рабочей поверхности наружного кольца роликового радиально-упорного конического однорядного подшипника

Повреждения сепаратора — наиболее серьёзный вид повреждений. При повреждениях сепаратора возможны повреждения других деталей вследствие вибрации, износа, заклинивания и перекосов (рисунок 7.17). Наиболее распространённая причина разрушения сепаратора — проблемы смазывания и деформации наружных колец

. Это приводит к возникновению неравномерных сил по телам качения и воздействию разрушающих сил на сепаратор.

Подшипники качения подлежат замене при наличии одного из следующих повреждений [4]:

• усталостные или коррозионные раковины на дорожках и телах качения;
• трещины, сколы бортов, колец, тел качения;
• трещины, излом сепаратора;
• износ, обрыв заклёпок сепаратора;
• забоины на сепараторе;
• задиры, рифление, выработка или вмятины на рабочих поверхностях колец и тел качения;
• поверхностная коррозия или цвета побежалости на рабочих поверхностях;
• увеличение радиального зазора.

Основные причины и способы как определить износ

Чтобы определить степень и причины износа, на каждом предприятии создается и действует комиссия по основным фондам. Износ оборудования определяется одним из следующих способов:

• Наблюдение. Включает в себя визуальный осмотр и комплексы измерений и испытаний.
• По сроку эксплуатации. Определяется как отношение фактического срока использования к нормативному. Значение этого отношения принимается за величину износа в процентном выражении.
• укрупненная оценка состояния объекта производится с помощью специальных метрик и шкал.
• Прямое измерение в деньгах. Сопоставляется стоимость приобретения новой аналогичной единицы основных средств и расходы на восстановительный ремонт.
• доходность дальнейшего использования. Оценивается снижение дохода с учетом всех издержек по восстановлению свойств по сравнению с теоретическим доходом.

Какую из методик применять в каждом конкретном случае — решает комиссия по основным средствам, руководствуясь нормативными документами и доступностью исходной информации.

7.4. Повреждения зубчатых передач

На работоспособность зубчатого зацепления влияют такие внешние факторы:

1. Значение прилагаемой силовой нагрузки
   определяет следующий характер повреждений на рабочей поверхности:
   • номинальная нагрузка не приводит к изменению формы зуба и не оставляет следов деформации на рабочей поверхности зубчатой передачи (рисунок 7.18);
     

     Рисунок 7.18 — Отсутствие деформаций — признак воздействия номинальной нагрузки:
     а) рабочая поверхность зубьев;	б) торцевая поверхность зубьев

   переменные или знакопеременные силы, приводят к появлению на площадках контакта напряжений, превышающих предел выносливости материала, оставляют на рабочей поверхности осповидные углубления, вызываемые усталостью материала (рисунок 7.19);

   Рисунок 7.19 — Превышение предела выносливости материала приводит к осповидному выкрашиванию рабочей поверхности:
   а) начальная стадия;	б) дальнейшее развитие;	в) предельное состояние

2. пластические сдвиги на рабочей поверхности зубьев происходят при превышении напряжений, действующих на площадках контактов, предела текучести, поверхностный слой металла перемещается от делительного диаметра к вершине зуба, образуя выступ (рисунок 7.20);
   

   Рисунок 7.20 — Пластические сдвиги на рабочей поверхности зубчатой передачи — напряжения на площадках контактов превысили предел текучести:
   а) начальная стадия;	б) дальнейшее развитие

Промежуточными проявлениями действующих сил являются: отслаивание частиц металла с рабочей поверхности зубьев, наклёп из-за сильных ударов при наличии зазора в зацеплении.

3. Характер прилагаемой силовой нагрузки
   связан с постоянством или непостоянством частоты вращения, изменением направления вращения, значением динамической составляющей. Динамические удары часто приводят к изломам зубьев (рисунок 7.21). При увеличении частоты вращения увеличиваются требования к точности изготовления и установки зубчатых передач, в противном случае — увеличивается износ зубьев. В нереверсивных передачах в обязательном порядке следует осматривать обратную (нерабочую) поверхность зуба. На ней могут проявляться ошибки изготовления или монтажа. Например, из-за малого бокового зазора на обратной поверхности зуба могут появиться следы контакта (рисунок 7.22).

   Рисунок 7.21 — Излом зубьев из-за воздействия динамических ударов

   Рисунок 7.22 — Пятно контакта на нерабочей поверхности зуба колеса

4. Наличие абразивных частиц или веществ, вызывающих коррозию,
   приводит к абразивному износу, коррозии поверхности зубьев, способствует возникновению газовой или жидкостной эрозии. Основная причина коррозии — наличие воды в смазочном материале — проявляется в виде равномерного (рисунок 7.23а) или неравномерного слоя (рисунок 7.23б) ржавчины на поверхности зубьев.

   Рисунок 7.23 — Следы коррозии на поверхности зубьев:
   а) равномерный слой;	б) неравномерный слой

   Первоначальное проявление абразивного износа — появление царапин или рисок на рабочей поверхности в направлении движения абразивного материала (рисунок 7.24). Развитию абразивного износа способствует использование загрязнённой или пластичной смазки, являющейся аккумулятором абразивных частиц. У изношенных передач повышаются зазоры в зацеплении; усиливаются шум, вибрация и динамические перегрузки; искажается форма зуба; уменьшаются размеры поперечного сечения и прочность зуба (рисунок 7.25).

   Читайте также:  Особенности технологии и виды наплавки металла

   Рисунок 7.24 — Начальная стадия абразивного износа колеса шестерённого насоса — появление рисок на рабочей поверхности зубьев

   

   Рисунок 7.25 — Предельная стадия абразивного износа кремальерной шестерни

На работоспособность зубчатого зацепления влияют такие внутренние факторы:

1. Неподвижность посадочных поверхностей
   зубчатого колеса и вала удовлетворяет требованиям в том случае, если сопрягаемые детали неподвижны при приложении нагрузки (рисунок 7.26а). Появление малых перемещений сопрягаемых деталей приводит к фреттинг-коррозии, проявляющейся в виде тёмных пятен на посадочной поверхности (рисунок 7.26б).

   Рисунок 7.26 — Состояние посадочных поверхностей зубчатого колеса и вала:
   а) неподвижная посадка;	б) малые перемещения сопрягаемых деталей

   В дальнейшем появляются следы взаимного перемещения сопрягаемых поверхностей в виде блестящих полированных участков поверхности. Это увеличивает скорость развития процессов износа, создавая предпосылки для возникновения ударов на последней стадии развития повреждения. При раскрытии стыка сопрягаемых деталей жёсткость соединения уменьшается, возникают динамические удары, приводящие к наклёпу и разрушению.

2. Характер взаимодействия контактирующих поверхностей
   определяется видом трения на контактирующих поверхностях. Если преобладает жидкостное трение, обеспечивающее минимальный коэффициент трения, и происходит полное разделение контактирующих поверхностей слоем масла, то состояние оценивают как хорошее. В этом случае преобладающим является окислительный износ (рисунок 7.27). Возникновение граничного трения приводит к контакту деталей, проявляясь в полировании рабочей поверхности зубчатых передач (рисунок 7.28). Часто граничное трение проявляется на начальной стадии приработки новых зубчатых колес.

   Рисунок 7.27 — Окислительный износ поверхности зубчатой передачи при жидкостном трении

   Рисунок 7.28 — Полированная поверхность зуба — признак граничного трения

   Отсутствие смазки между контактирующими поверхностями приводит к повышению температуры, разрушению поверхностных твёрдых плёнок окислов и возникновению адгезионных связей между контактирующими поверхностями. Для тяжелонагруженных высокоскоростных зубчатых передач наиболее характерное проявление — вырывы металла на вершинах зубьев (рисунок 7.29). Для их предотвращения рекомендуют обеспечить постоянное смазывание контактирующих поверхностей, в том числе, путём правильного выбора смазочного материала. Такие повреждения нарушают характер зацепления зубьев, увеличивают скорость износа и создают концентраторы напряжений на поверхности зубьев, способствующие развитию усталостных трещин и сколов.

   Рисунок 7.29 — Вырывы металла на вершинах зубьев — схватывание поверхности при отсутствии разделительной масляной плёнки

3. Взаимное расположение деталей
   оценивают по пятну контакта, характеристики которого обычно приведены в ПТЭ, учебниках и пособиях. Правильное, равномерное по высоте и длине зуба расположение пятна контакта показано на рисунке 7.30. Непараллельное расположение осей зацепления при уменьшенном расстоянии между осями зубчатых колёс происходит из-за износа посадочных мест подшипников валов зубчатых передач и приводит к сокращению пятна контакта до недопустимых размеров (рисунок 7.31). Несоосность валов можно зафиксировать по характеру износа элементов зубчатой муфты (рисунок 7.32).

   Рисунок 7.30 — Равномерное расположение пятна контакта по длине и высоте зуба

   Рисунок 7.31 — Сокращение пятна контакта из-за непараллельного расположения осей зацепления при уменьшенном расстоянии между осями зубчатых колёс

   Рисунок 7.32 — Неравномерный износ зубьев зубчатой муфты при несоосности валов

   Отклонения в расположении валов и зубчатых колёс приводит к нарушению равномерности воздействия прилагаемых сил. Она может проявляться в неравномерном распределении сил по длине зуба (рисунок 7.33) и равномерном по окружности зубчатого колеса. Неравномерное распределение сил по окружности зубчатого колеса возможно из-за его эксцентричного расположения. Отклонения могут быть настолько велики, что приведут к нарушению контакта зубчатого зацепления (рисунок 7.34). Неравномерность распределения сил приводит к образованию локальных сколов зубьев в ограниченном секторе (рисунок 7.21).

   Рисунок 7.33 — Неравномерное распределение действующих сил по длине зуба и равномерное распределение по окружности зубчатого колеса

   Рисунок 7.34 — Повреждения конического колеса при выходе зубьев из зацепления

4. Накопление усталостных повреждений
   проявляется в зарождении, развитии и реализации трещин, разрушении зубьев (рисунок 7.35)

   Рисунок 7.35 — Локальные разрушения зубьев из-за реализации усталостных трещин

Зубчатое колесо необходимо заменить [5]:

• при изломе зуба, наличии трещин возле основания зуба, пластической деформации материала зуба;
• при осповидном выкрашивании с повреждением рабочей поверхности зубьев более чем на 20% и глубине ямок выкрашивания более 5% толщины зуба;
• при абразивном износе зуба на 10-20% от его толщины;
• при наклёпе, задирах на рабочей поверхности зуба и повреждении более 20% площади рабочей поверхности;
• при наличии цветов побежалости на рабочей поверхности зубьев;
• при размере пятна контакта менее 25-60% по высоте и 30-80% по ширине зуба.

Адгезионный

При продолжительном трении, сопровождающимся пластическими деформациями участников трущейся пары, происходит периодическое сближение участков поверхности на расстояние, позволяющее силам межатомного взаимодействия проявить себя. Начинает взаимопроникновение атомов вещества одной детали в кристаллические структуры другой. Неоднократное возникновение адгезионных связей и их прерывание приводят к отделению поверхностных зон от детали. Адгезионному старению подвержены нагруженные трущиеся пары: подшипники, валы, оси, вкладыши скольжения.

Перечень ссылок

1. Механическое оборудование: техническое обслуживание и ремонт / В.И. Бобровицкий, В.А. Сидоров. — Донецк: Юго-Восток, 2011. — 238 с.
2. Седуш В.Я. Надёжность, ремонт и монтаж металлургических машин: учебник / 3-е изд., перераб. и доп. — К: НМК ВО, 1992. — 150 с.
3. Сидоров В.А. Классификация повреждений подшипников // Металлообработка: оборудования и технологии для профессионалов, 2009. — №3. — С. 86-89.
4. Сидоров В.А. Классификация повреждений подшипников // Металлообработка: оборудования и технологии для профессионалов, 2009. — №4. — С. 62-64.
5. Сидоров В.А. Повреждения зубчатых передач. Классификация // Металлообработка: оборудования и технологии для профессионалов, 2010. — №2. – С. 18-22.

Как увеличить долговечность деталей?

Долговечность деталей техники может быть увеличена системой ремонтных и эксплуатационных мероприятий. К числу эксплуатационных мероприятий, повышающих срок службы деталей, можно отнести: соблюдение режима обкатки в начальный период эксплуатации автомобиля, своевременное и качественное проведение работ по их техническому обслуживанию, недопущение перегрузок и перегрева, соблюдение правил пуска машин в холодное время.

К числу ремонтных мероприятий, направленных на повышение срока службы машин, можно отнести: получение обработкой высокого качества поверхности, соблюдение правильной геометрической формы деталей, применение передовых способов восстановления деталей.

Помочь с ремонтом и обслуживанием вашей строительной, дорожной, коммунальной и сельскохозяйственной техники в Москве и Московской области может . Мы осуществляем все виды ремонта. Для этого позвоните по номеру телефона на этой странице или заполните форму заказа и мы сами перезвоним. И мы устраним все причины и виды износа деталей вашей техники.

О временном факторе

Естественный износ может рассматриваться и с позиции своего протекания. В таком случае он может быть непрерывным и аварийным. Давайте рассмотрим их более подробно:

1. Непрерывный износ. Так называют постепенное понижение технико-экономических показателей объекта при условии, что осуществляется правильная и при этом длительная эксплуатация. В качестве примера можно привести механический износ деталей и узлов, который влияет на движущиеся части механизмов и машин. Может он сказываться и на других элементах системы.
2. Аварийный износ. Так называют быстрые по времени изменения, которые достигают таких размеров, что эксплуатация объекта в дальнейшем становиться невозможной. В качестве примера можно привести пробой кабеля. По характеру протекания его можно охарактеризовать как моментальный.

Следует отметить, что аварийный износ практически всегда является всего лишь следствием протекания скрытых процессов. Он может внешне быть связанным с ошибками персонала, несоответствием требуемых и имеющихся расходных материалов, резкими скачками питающего напряжения. Но выделяемый при этом скрытый износ непосредственно на технические параметры не влияет. Он просто увеличивает вероятность наступления аварийной ситуации.