Предельный и допустимый износ
Основные характеристики изнашивания
ИЗНАШИВАНИЕ ПАР ТРЕНИЯ
Относительные перемещения контактирующих поверхностей и их механические взаимодействия приводят не только к изменениям состояния и свойств материалов поверхностных слоев, но и к их разрушению.
Обычно разрушение происходит в форме отделения от поверхностей трения мелких частиц материала, что приводит с течением времени к изменению размеров и формы контактирующих деталей. Это явление называют изнашиванием. Изнашивание является сложным многоуровневым процессом.
Как отмечалось ранее, основные понятия, термины и определения в области изнашивания регламентированы ГОСТ 27674-88. В частности, по этому ГОСТу результат изнашивания определен термином износ . Величину износа определяют в единицах длины, объема, массы.
Износ деталей и узлов трения приводит к ухудшению функциональных показателей машины. В результате износа нарушается кинематическая точность механизмов, снижается производительность и коэффициент полезного действия, уменьшается прочность деталей, увеличиваются расходы на ремонт и обслуживание, увеличивается шум и вибрации.
Количественно изнашивание характеризуется скоростью изнашивания
γ= Dh/t , (4.1)
где Dh - величина износа, или толщина удаленного слоя, м;
t - время, ч.
Широко распространена другая характеристика изнашивания - интенсивность изнашивания:
I= Dh/L. (4.2)
где Dh - величина износа, м;
L - путь трения, м.
Различают мгновенную (в определенный момент времени) и среднюю скорость изнашивания (за определенный интервал времени).
Еще одной характеристикой изнашивания является износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях. Оценивается величиной обратной скорости или интенсивности изнашивания.
Значение износостойкости находится в пределах 10 3 …10 13 . Установлено десять классов износостойкости (табл. 4.1).
Таблица 4.1
Классы износостойкости
Поскольку изнашивание в процессе эксплуатации машины неизбежно, очень важно определять степень износа детали и установить крайне важность ее ремонта. Известно, что первоначальный износ появляется в период приработки двух деталей. Этот износ незначителен и зависит от зазоров и шероховатости поверхностей. В дальнейшем нарастание износа происходит за длительный период эксплуатации и, наконец, износ достигает величины, когда наступает значительное нарушение сопряжения деталей. По этой причине в технике приняты понятия о допустимом и предельном износе.
Допустимым износом принято называть износ, при котором изделие сохраняет свою работоспособность.
Предельный износ соответствует предельному состоянию изнашивающейся детали.
Установление предельных износов крайне важно для выполнения регулировочных операций и выбраковки деталей в эксплуатации и при ремонте. Для определения предельных износов следует руководствоваться тремя критериями: техническим, функциональным и экономическим.
Согласно техническому критерию предельному значению износа соответствует:
Резкое возрастание интенсивности изнашивания;
Снижение прочности изнашиваемой детали вследствие изменения ее размеров;
Усиление влияния износа рабочего органа или деталей сопряжения на работоспособность других деталей;
Самовыключение механизма при работе.
Технический признак предельного износа можно использовать также для оценки изменения характера неподвижного сопряжения (соединения с натягом, шлицевое и шпоночное соединения) вследствие контактной коррозии, релаксации напряжений и макропластической деформации деталей.
Основанием для функционального критерия служит изменение по мере изнашивания качества функций, выполняемых узлом или машиной. К примеру, отклонения размеров профиля проката от номинального вследствие износа валков, погрешности формы обработанного на металлорежущем станке изделия, изменение подачи компрессора при заданном давлении на выходе.
Экономические показатели работы машины положены в основу третьего критерия предельного износа. Наименьшие затраты на единицу выработки при сохранении качества в заданных пределах являются экономическим критерием оптимального срока службы, межремонтного периода рабочего органа или узла машины.
Экономический критерий является наиболее общим. Технические и функциональные признаки являются основными в тех случаях, когда можно не считаться с рентабельностью работы машины.
Срок службы детали или узла определяется не только по предельным износам, в соответствии с критериями, но и другими факторами: контактная усталость, коррозия и др.
Срок службы пары или детали определяют по формуле
(4.3)
где U max –предельный износ, м;
U 0 – начальный износ (приработанный износ), м;
Скорость изнашивания, м/ч.
Для расчета крайне важно установить предельный износ и знать скорость изнашивания.
Допустимые и предельные износы деталей
Для уяснения понятий о допустимом и предельном износе рассмотрим кривую наиболее общего случая естественного механического износа в результате работы сил трения (рис. 3). Кривая справедлива для большинства сопряженных подвижных деталей, работающих с установившимся режимом и имеет три особо выраженных участка. Начальный криволинейный участок I характеризует процесс приработки нового сопряжения; прямолинейный участок II, наибольший по протяженности, соответствует промежутку времени нормальной работы сопряжения (естественный износ); криволинейный участок III соответствует промежутку времени разрушения сопряжения вследствие износа его сверх допустимого предела (предельный износ).
В виде обобщающего примера рассмотрим, подвижное сопряжение вал - отверстие. В этом случае между деталями предусматривается некоторый зазор, величина которого определяется классом точности и посадкой. На графике (рис. 4) по вертикальной оси вверх от точки О, соответствующей номинальному размеру сопряжения, будем откладывать изменения в диаметре вала, вниз - изменения в диаметре отверстия, а по горизонтальной- время работы данного сопряжения.
Рис. 3. Типовая кривая износа деталей
Рис. 4. Нарастание зазора в сопряжении вал - отверстие
При решении вопроса о ремонте детали недостаточно знать только величину ее предельного износа, необходимо определить еще и степень ее годности, т. е. установить, требует ли деталь немедленного ремонта или она сможет проработать еще один межремонтный срок.
Для решения этой задачи необходимо лабораторными испытаниями или на основе практических данных установить закономерность нарастания износа. Зная закономерность для данного сопряжения, можно-определить, какой промежуток времени при имеющемся износе сможет проработать это сопряжение до предельного износа.
Если закономерность нарастания естественного износа известна и выражена в виде кривых (см. рис. 4), где в точке tB износ достигает предельной величины, то измерительным инструментом устанавливают абсолютные величины износов Mk\ вала и Mk2 отверстия и откладывают их по вертикальной оси, проектируя точки на кривые. Соединяют полученные точки К\ и Кг прямой линией. Если отрезок времени tKtB больше межремонтного промежутка, то деталь еще может работать без ремонта, если меньше, то ее необходимо ремонтировать.
Следовательно, можно считать, что первоначальный износ появляется в первый период приработки двух деталей. Он в значительной степени зависит от первоначального (конструктивного) зазора нагрузки и первоначальной чистоты (качества) рабочих поверхностей новых сопряженных деталей.
Основные характеристики изнашивания
ИЗНАШИВАНИЕ ПАР ТРЕНИЯ
Относительные перемещения контактирующих поверхностей и их механические взаимодействия приводят не только к изменениям состояния и свойств материалов поверхностных слоев, но и к их разрушению.
Обычно разрушение происходит в форме отделения от поверхностей трения мелких частиц материала, что приводит с течением времени к изменению размеров и формы контактирующих деталей. Это явление называют изнашиванием. Изнашивание является сложным многоуровневым процессом.
Как отмечалось ранее, основные понятия, термины и определения в области изнашивания регламентированы ГОСТ 27674-88. В частности, по этому ГОСТу результат изнашивания определен термином износ . Величину износа определяют в единицах длины, объема, массы.
Износ деталей и узлов трения приводит к ухудшению функциональных показателей машины. В результате износа нарушается кинематическая точность механизмов, снижается производительность и коэффициент полезного действия, уменьшается прочность деталей, увеличиваются расходы на ремонт и обслуживание, увеличивается шум и вибрации.
Количественно изнашивание характеризуется скоростью изнашивания
γ= Dh/t , (4.1)
где Dh - величина износа, или толщина удаленного слоя, м;
t - время, ч.
Широко распространена другая характеристика изнашивания - интенсивность изнашивания:
I= Dh/L. (4.2)
где Dh - величина износа, м;
L - путь трения, м.
Различают мгновенную (в определенный момент времени) и среднюю скорость изнашивания (за определенный интервал времени).
Еще одной характеристикой изнашивания является износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях. Оценивается величиной обратной скорости или интенсивности изнашивания.
Значение износостойкости находится в пределах 10 3 …10 13 . Установлено десять классов износостойкости (табл. 4.1).
Таблица 4.1
Классы износостойкости
Поскольку изнашивание в процессе эксплуатации машины неизбежно, очень важно определять степень износа детали и установить необходимость ее ремонта. Известно, что первоначальный износ появляется в период приработки двух деталей. Этот износ незначителен и зависит от зазоров и шероховатости поверхностей. В дальнейшем нарастание износа происходит за длительный период эксплуатации и, наконец, износ достигает величины, когда наступает значительное нарушение сопряжения деталей. Поэтому в технике приняты понятия о допустимом и предельном износе.
Допустимым износом называется износ, при котором изделие сохраняет свою работоспособность.
Предельный износ соответствует предельному состоянию изнашивающейся детали.
Установление предельных износов необходимо для выполнения регулировочных операций и выбраковки деталей в эксплуатации и при ремонте. Для определения предельных износов следует руководствоваться тремя критериями: техническим, функциональным и экономическим.
Согласно техническому критерию предельному значению износа соответствует:
Резкое возрастание интенсивности изнашивания;
Снижение прочности изнашиваемой детали вследствие изменения ее размеров;
Усиление влияния износа рабочего органа или деталей сопряжения на работоспособность других деталей;
Самовыключение механизма при работе.
Технический признак предельного износа можно использовать также для оценки изменения характера неподвижного сопряжения (соединения с натягом, шлицевое и шпоночное соединения) вследствие контактной коррозии, релаксации напряжений и макропластической деформации деталей.
Основанием для функционального критерия служит изменение по мере изнашивания качества функций, выполняемых узлом или машиной. Например, отклонения размеров профиля проката от номинального вследствие износа валков, погрешности формы обработанного на металлорежущем станке изделия, изменение подачи компрессора при заданном давлении на выходе.
Экономические показатели работы машины положены в основу третьего критерия предельного износа. Наименьшие затраты на единицу выработки при сохранении качества в заданных пределах являются экономическим критерием оптимального срока службы, межремонтного периода рабочего органа или узла машины.
Экономический критерий является наиболее общим. Технические и функциональные признаки являются основными в тех случаях, когда можно не считаться с рентабельностью работы машины.
Срок службы детали или узла определяется не только по предельным износам, в соответствии с критериями, но и другими факторами: контактная усталость, коррозия и др.
Срок службы пары или детали определяют по формуле
где U max –предельный износ, м;
U 0 – начальный износ (приработанный износ), м;
Скорость изнашивания, м/ч.
Для расчета необходимо установить предельный износ и знать скорость изнашивания.
Одним из наиболее эффективных способов снижения изнашивания деталей в условиях эксплуатации является тщательное и своевременное проведение технического обслуживания и ремонта, соблюдение правил хранения, обкатки новых и отремонтированных машин.
Снижение износа деталей, подвергающихся механическому изнашиванию, можно обеспечить за счет
Улучшения механической обработки поверхностей,
Применяя шлифование, притирку, развертывание, доводку;
Нанесение на поверхность деталей износостойких покрытий (наплавка твердыми сплавами, хромирование, газопламенное напыление и др.):
Упрочнение поверхности химико-термической обработкой, поверхностно-пластическим деформированием (ПДД) (обработка роликами, шариками и др.), электромеханическое и термомеханическое упрочнение, использование вибронакатки для удержания смазки, дробеструйный и гидроабразивный наклеп и др.
За счет перечисленных мероприятий можно повысить усталостную прочность деталей, уменьшить абразивный износ.
Для снижения коррозии поверхности деталей из черных металлов покрывает оловом, никелем, хромом и цинком.
Во время хранения детали покрывают веществами, образующими на поверхности химические защитные пленки (пассиваторы), а также покрытие веществами, создающими такие изоляционные пленки, которые препятствуют образованию микрогальванических пар (ингибиторы). На поверхности деталей эти вещества наносят в виде раствора.
Широко используется для защиты машин от коррозии окраска поверхности. Увеличение технического ресурса подшипников качения и шестерен Рекомендуется периодически поворачивать шарикоподшипники на 180° в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения шариков. Роликовые подшипники рекомендуется переставлять так, чтобы ролики передвигались в обратном | направлении. Незначительный зазор между кольцом и гнездом снижает ресурс в 1,5 раза. Поворот шестерен на 180° (если это позволяет конструкция) обеспечивает работу неизношенными поверхностями зубьев.
4.8. Понятие о предельных и допустимых износах деталей и сопряжжений
Любая в конструктивном отношении совершенная машина с течением времени изменяет свои первоначальные характеристики, происходит ухудшение ряда показателей - уменьшается мощность, увеличивается расход топлива и смазки, снижается КПД трансмиссий, ухудшается качество работы (пилы, пилорамы, шпалорезные станки и др.).
Таким образом, снижается производительность, экономичность. В процессе работы ослабевают резьбовые соединения, нарушаются посадки в сопряжениях, увеличиваются зазоры, уменьшаются натяги.
После некоторого периода эксплуатации износ деталей в сопряжениях достигает предельных величин, при которых их дальнейшая работа становится технически ненадежной или экономически нецелесообразной.
Предельным износом называется износ, соответствующий предельному состоянию изнашивающегося изделия или его составной части. Основные признаки появления предельных износов:
Повышение интенсивности изнашивания,
Снижение прочности вследствие изменения размеров,
Увеличения зазоров, снижения натягов, искажения геометрической формы. Определение предельных износов является технически сложной задачей. Для подвижных соединений критерием предельного износа может служить величина максимального зазора, искажение геометрической формы.
Предельные зазоры в сопряжении плунжер-гильза топливного насоса определяются по изменению количества подаваемого топлива за один ход плунжера; в сопряжении поршень-гильза по изменению расхода масла в зависимости от износа цилиндров и поршневых колец; в сопряжениях типа вал-подшипник по максимальному зазору и по искажению геометрической формы.
Допустимыми называют износы , размеры детали и другие ее технические характеристики, при которых она может быть поставлена в машину без ремонта и будет удовлетворительно работать в течение всего межремонтного периода.
Допустимым износом называется износ, при котором изделие сохраняет работоспособность. Допустимый износ может быть определен по формуле из соотношения
где I t - скорость изнашивания; Т i - интервал времени между двумя плановыми ремонтами; I t ·Ti - возрастание износа детали за время Тi.
Учитывая, что I t = U s доп /T, где Т - время работы детали до ремонта, получим
Если обозначить через К - номер данного периодического ремонта с момента последнего ремонта детали, тогда время работы детали запишется
Учитывая это соотношение, можно записать
Пример. Деталь имеет глубину цементированного слоя 0,8 мм и предельный износ ее составляет Umах=0,64 мм. Надо ли восстанавливать деталь, если при ее измерении при третьем периодическом ремонте износ оказался равным 0,55 мм. Определяем Uдon по формуле
Несмотря на это, деталь необходимо ремонтировать, т. к. она не дорабатывает до следующего ремонта. За один цикл износ должен составлять 0,64:4=0,16 мм, а у нас 0,64-0,55=0,09 мм.
Признаки, по которым определяют предельное состояние деталей, подразделяют на три группы: технические, качественные и экономические.
Технические критерии позволяют определить предельный износ деталей на основании наступления форсированного изнашивания (возникают удары, интенсивный износ поверхностей, вибрация, повышается температура).
Качественные критерии позволяют находить предельные износы по принципу изменения качества работы машины или ее агрегатов и узлов.
Предельная величина в этих случаях устанавливается в зависимости от технических и других отклонений и норм качества работы. Наиболее часто эти критерии используются для оценки состояния рабочих органов машин (детали рулевых и тормозных механизмов, и др.).
Экономические критерии характеризуют снижение производительности машины, повышение расхода эксплуатационных материалов, себестоимости вы-полняемых работ и технического обслуживания. Эти критерии косвенно указы-
вают на достижение предельного износа частью деталей. Примером этого может служить износ шатунно-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания.
Остаточная стоимость элемента определяется
Различают три группы дефектов деталей автомобилей: естественный износ деталей, механические повреждения (трещины, пробоины, риски и борозды, выкрашивания, поломки и обломы, изгибы и скручивания) и тепловые повреждения (деформации и раковины, происходящие в результате температурных воздействий).
Естественный износ происходит в результате трения между трущимися поверхностями и усталости поверхностного слоя материала и является основной причиной непригодности деталей для дальнейшей работы. Различают следующие виды естественного износа: механический, молекулярно-механический и коррозийно-механический.
К механическому износу относят абразивный износ и износ, возникающий вследствие пластического деформирования и хрупкого разрушения. К молекулярно-механическому относят износ, образующийся при схватывании частиц металла между собой с последующим разрушением возникшей связи. Под коррозийно-механическим понимают механический износ, усиленный явлениями коррозии.
Абразивный механический износ имеет место в цилиндро-поршневой группе за счет попадания в цилиндры пыли (абразива), продуктов износа и коррозии. Износ пластического течения наблюдается в баббитовой заливке подшипников коленчатого вала. Износ хрупкого разрушения возможен на рабочих поверхностях клапанов, на беговых дорожках шариковых подшипников и других деталях, подверженных ударным нагрузкам.
Молекулярно-механический износ может наблюдаться при приработке, а коррозионио-механический - в цилиндро-поршневой группе за счет коррозии.
Величина износа, а следовательно; и долговечность детали, зависит от конструкции механизма и условий работы деталей (характера нагрузки, величины удельного давления, температуры и т. д.), материала деталей, точности и чистоты обработки, зазоров и натягов в сопряжениях деталей, качества сборки и регулировки, наличия и качества смазки, своевременности и тщательности выполнения технического обслуживания, условий эксплуатации автомобиля и приемов вождения.
С увеличением пробега автомобиля величина износа и зазор между сопряженными деталями постепенно увеличиваются. Нарастание износа в различных сопряжениях неодинаково, так как неодинаковы износостойкость деталей и условия их работы. Если детали подвержены ударным и знакопеременным нагрузкам, то значительное отклонение от установленного зазора, например, в подшипниках коленчатого вала двигателя, приводит к резко возрастающим износам.
Постоянное наблюдение водителя за работой автомобиля и его агрегатов, правильные приемы вождения, тщательное техническое обслуживание и своевременное устранение всех обнаруженных неисправностей - таковы пути предотвращения перехода мелких дефектов в существенные неисправности и поломки.
Предельный и допустимый износы деталей.
Между естественным износом деталей и пробегом автомобиля существует зависимость, показанная в виде кривой ОАВ на рис. 166. Участок ОА соответствует периоду обкатки нового или капитально отремонтированного автомобиля. В течение этого периода происходит повышенный износ детали в связи с приработкой сопряженных поверхностей. Участок АВ соответствует периоду нормальной эксплуатации, когда износ увеличивается значительно медленнее.
Допустимым называется износ детали, при котором она может нормально работать до очередного ремонта. Предельным называется износ, при котором нарушаются нормальные условия работы сопряженных деталей и дальнейшая эксплуатация становится невозможной или неэкономичной. После пробега автомобиля, соответствующего предельному износу (точка В), деталь необходимо ремонтировать, так как ударные нагрузки, возникающие между сопряженными деталями вследствие большого зазора, приводят к резкому увеличению износа и могут вызывать поломку деталей.
Задача ремонта
Задачей ремонта является восстановление правильной формы деталей и первоначальных зазоров (натягов) между сопряженными деталями, нарушенных при износе. При ремонте автомобиля восстанавливают номинальные размеры деталей или обрабатывают их под ремонтные размеры.
Ремонтным размером называется размер детали, отличающийся от номинального на строго определенную величину (зависит от износа детали и припуска на обработку). Такие размеры устанавливают для основных и наиболее ответственных деталей автомобиля, причем ремонтные размеры сопряженных деталей увязаны между собой. Ремонтные размеры дают возможность использовать при ремонте автомобиля готовые запасные части. При этом размеры деталей увеличивают (например, диаметры цилиндров) или уменьшают (например, шейки валов) по сравнению с номинальными размерами. Очевидно, что изменение размеров деталей при ремонте не может быть беспредельным и ограничивается прочностью детали (например, толщиной стенки цилиндра), глубиной закаленного слоя и т. д.
В качестве примера укажем, что для гильз цилиндров двигателей ЯМЗ установлено два ремонтных размера с увеличением диаметра гильзы соответственно на 0,25 и 0,5 мм, для коренных и шатунных шеек коленчатого вала - шесть ремонтных размеров с уменьшением диаметра шейки на 0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,25 и 1,5 мм.
Способы восстановления изношенных деталей.
Изношенные детали восстанавливают механической обработкой (с применением ремонтных размеров, добавочных деталей и замены части детали), наваркой, металлизацией, гальваническим наращиванием (хромирование, осталивание, омеднение), электроискровой обработкой, перезаливкой антифрикционными сплавами (баббитом, свинцовистой бронзой), способом давления (осадка, раздача и др.), когда свободный металл детали перемещается к изношенным ее местам. Детали, имеющие механические повреждения, можно восстанавливать металлизацией, пайкой, заваркой, правкой, слесарной (штифтовка, постановка заплат) или механической обработкой. Для восстановления деталей с химико-тепловыми повреждениями применяют заварку, припиловку, шабровку, фрезерование или шлифование (например, седел клапанов), притирку, механическую обработку.