Виды и характер износа деталей

Виды износа различают в соответствии с существующими ви­дами изнашивания: механический, абразивный, усталостный, коррозионный и др.

Механический износ является результатом действия сил трения при скольжении одной детали по другой. При этом проис­ходит истирание (срезание) поверхностного слоя металла и иска­жений геометрических размеров у совместно работающих деталей. Этот вид износа часто возникает при работе таких распространенных сопряжений деталей, как вал— подшипник, станина —стол, пор­шень— цилиндр и др. Он появляется и при трении качения поверх­ностей, так как ему неизбежно сопутствует и трение скольжения, однако в подобных случаях износ бывает очень небольшим.

Степень и характер механического износа деталей зависят от многих факторов: физико-механических свойств верхних слоев металла; условий работы и характера взаимодействия сопрягае­мых поверхностей; давления; относительной скорости перемеще­ния; условий смазывания трущихся поверхностей; степени шеро­ховатости последних и др.

Наиболее разрушительное действие на детали оказывает абра­зивный износ, который наблюдается в тех случаях, когда тру­щиеся поверхности загрязняются мелкими абразивными и металли­ческими частицами. Обычно такие частицы попадают на трущиеся поверхности при обработке на станке литых заготовок, в результате изнашивания самих поверхностей, попадания пыли и др. Они дли­тельное время сохраняют свои режущие свойства, образуют на по­верхностях деталей царапины, задиры, а также, смешиваясь с гря­зью, выполняют роль абразивной пасты, в результате действия ко­торой происходит интенсивное притирание и изнашивание сопря­гаемых поверхностей. Взаимодействие поверхностей деталей без от­носительного перемещения вызывает смятие металла, что характер­но для шпоночных, шлицевых, резьбовых и других соединений.

Механический износ может вызываться и плохим обслужива­нием оборудования, например нарушениями в подаче смазки, недоброкачественным ремонтом и несоблюдением его сроков, мощностной перегрузкой и т.д.

Во время работы многие детали машин (валы, зубья зубчатых колес, шатуны, пружины, подшипники) подвергаются длитель­ному воздействию переменных динамических нагрузок, которые в большей степени отрицательно влияют на прочностные свойства деталей, чем статические. Усталостный износ является ре­зультатом воздействия на деталь переменных нагрузок, вызываю­щих усталость материала детали и его разрушение. Валы, пружины и другие детали разрушаются вследствие усталости материала в по­перечном сечении. При этом получается характерный вид излома с двумя зонами — развивающихся трещин и той, по которой произошел излом. Поверхность первой зоны гладкая, а второй — с раковинами, иногда зернистая.

Усталостные разрушения материала детали необязательно должны сразу привести к ее поломке. Возможно возникновение усталостных трещин, шелушения и других дефектов, которые опасны тем, что вызывают ускоренный износ детали и механизма. Для предот­вращения усталостного разрушения важно правильно выбрать фор­му поперечного сечения вновь изготовляемой или ремонтируе­мой детали: она не должна иметь резких переходов от одного раз­мера к другому. Следует также помнить, что грубо обработанная поверхность, наличие рисок и царапин могут стать причиной воз­никновения усталостных трещин.

Коррозионный износ является результатом изнашива­ния деталей машин и установок, находящихся под непосредствен­ным воздействием воды, воздуха, химических веществ, колеба­ний температуры. Например, если температура воздуха в произ­водственных помещениях неустойчива, то каждый раз при ее по­вышении содержащиеся в воздухе водяные пары, соприкасаясь с более холодными металлическими деталями, осаждаются на них в виде конденсата, что вызывает коррозию, т.е. разрушение металла вследствие химических и электрохимических процессов, развива­ющихся на его поверхности. Под влиянием коррозии в деталях образуются глубокие разъедания, поверхность становится губча­той, теряет механическую прочность. Эти явления наблюдаются, в частности, на деталях гидравлических прессов и паровых моло­тов, работающих в среде пара или воды.

Обычно коррозионный износ сопровождается и механическим износом вследствие сопряжения одной детали с другой. В этом случае происходит коррозионно-механический, т.е. комплексный, износ.

Износ при заедании возникает в результате прилипа­ния («схватывания») одной поверхности к другой. Это явление наблюдается при недостаточной смазке, а также при значитель­ном давлении, когда две сопрягаемые поверхности сближаются настолько плотно, что между ними начинают действовать моле­кулярные силы, приводящие к их схватыванию.

Механический износ деталей рассмотрим подробнее. Механи­ческий износ деталей оборудования может быть полным, если повреждена вся поверхность детали, или местным, если повреж­ден какой-либо ее участок (рис. 1).

 

 

Е ж з и

 

Рис. 1. Характер механического износа деталей:

а — направляющих станины и стола; б — внутренних поверхностей цилиндра; в — поршня; г, д — вала; е — резьбы винта и гайки; ж — дисковой фрикционной муфты; з, и — зубьев колеса; 1 — стол; 2 — станина; 3 — юбка; 4 — перемычка; 5 — днище; 6 — отверстие; 7 — подшипник; 8 — шейка вала; 9 — зазор; 10 — винт; 11 — гайка; И — места износа; Р — действующие усилия

В результате износа направляющих станков нарушаются их плоскостность, прямолинейность и параллельность вследствие действия на поверхности скольжения неодинаковых нагрузок. Например, прямолинейные направляющие 2 станка (рис. 1, а) под влиянием больших местных нагрузок приобретают вогнутость в средней части (местный износ), а сопрягаемые с ними корот­кие направляющие 1 стола становятся выпуклыми.

Цилиндры и гильзы поршней в двигателях, комп­рессорах, молотах и других машинах изнашиваются тоже нерав­номерно (рис. 1, б). Износ происходит на участке движения поршневых колец и проявляется в виде выработки внутренних стенок цилиндра или гильзы. Искажается форма отверстия цилиндра — образуются отклонения от цилиндричности и круглости (бочкообразность), возникают царапины, задиры и другие дефекты. У ци­линдров двигателей внутреннего сгорания наибольшему износу подвергается верхняя часть, испытывающая самые высокие дав­ления и наибольшие температуры. В кузнечно-прессовом оборудо­вании, наоборот, наибольший износ появляется в нижней части цилиндра — там, где находится поршень во время ударов.

Износ поршня (рис. 1, в) проявляется в истирании и зади­рах на юбке 3, изломе перемычек 4 между канавками, появлении трещин в днище 5 и разработке отверстия 6 под поршневой палец.

Износ валов (рис. 1, г, д) проявляется возникновением различ­ных дефектов: валы становятся изогнутыми, скрученными, изло­манными вследствие усталости материала; на их шейках образуются задиры; цилиндрические шейки становятся конусными или бочко­образными. Отклонения от круглости приобретают также отверстия подшипников скольжения и втулок. Неравномерность износа шеек валов и поверхностей отверстий во втулках при вращении вала — результат действия различных нагрузок в разных направлениях. Если на вал во время вращения действует только сила его тяжести, то износ появляется в нижней части подшипника (рис. 1, г).

В зубчатых передачах наиболее часто изнашиваются зу­бья (рис. 1, з,): образуются задиры, зубья изменяют свою фор­му, размеры и выламываются. Поломка зубьев, появление трещин в спицах, ободе и ступице зубчатых колес, износ посадочных отвер­стий и шпонок происходят по трем основным причинам:

перегрузка зубчатой передачи;

попадание в нее посторонних тел;

неправильная сборка (например, крепление зубчатых колес на валу с перекосом осей).

Ходовые винты имеют трапецеидальную или прямоуголь­ную резьбу. У винта и его гайки изнашивается резьба, витки ста­новятся тоньше (рис. 1. е). Износ резьбы у винтов, как правило, неравномерный, так как подавляющая часть деталей, обрабаты­ваемых на станках, имеет меньшую длину, чем ходовой винт. Силь­нее изнашивается та часть резьбы, которая работает больше. Гай­ки ходовых винтов изнашиваются быстрее, чем винты. Причины этого таковы: резьбу гаек неудобно очищать от загрязнений; гай­ки в ряде случаев неудовлетворительно смазываются; у гайки, со­пряженной с винтом, участвуют в работе все витки резьбы, тогда как у винта одновременно работает только небольшая часть его витков, равная числу витков гайки.

У дисковых муфт в результате действия сил трения наи­большему износу подвергаются торцы дисков (рис. 1, ж); их по­верхности истираются, на них появляются царапины, задиры, на­рушается плоскостность.

В резьбовых соединениях наиболее часто изнашива­ется профиль резьбы, в результате в них увеличивается зазор. Это наблюдается в сопряжениях не только ходовых, но и за­жимных, например у зажимных винтов часто отвертываемых крепежных болтов. Износ резьбовых соединений — результат недостаточной или, наоборот, чрезмерной затяжки винтов и гаек. Особенно интенсивен износ, если работающее соединение вос­принимает большие или знакопеременные нагрузки: болты и винты растягиваются, шаг резьбы и ее профиль искажаются, гайка начинает «заедать». В этих случаях возможны аварийные поломки деталей соединения. Грани головок болтов и гаек чаще всего изнашиваются потому, что их отвертывают несоответствующими ключами.

В шпоночных соединениях изнашиваются как шпонки, так и шпоночные пазы. Возможные причины этого явления ослабление посадки детали на валу, неправильная подгонка шпонки по гнезду.

В подшипниках качения вследствие различных причин (рис. 2, а —г) износу подвержены рабочие поверхности — на них появляются оспинки, наблюдается шелушение поверхностей беговых дорожек и шариков. Под действием динамических нагрузок происходит их усталостное разрушение. Под влиянием излишне плотных посадок подшипников на вал и в корпус шарики и ролики защемляются между кольцами, в результате чего возможны перекосы колец при монтаже и другие нежелательные последствия.

 

 

Рис. 2. Износ подшипников качения:

а — вследствие перекоса; б — при проворачивании внутреннего кольца на валу; в — из-за чрезмерного натяга; г — из-за неисправного сальника; И — места износа

 

 

 

 

Рис. 3. Характерные виды износа поверхностей скольжения:

а - выкрашивание; о - отслаивание; в - коррозия; г - эрозия; д - царапины;

е -задиры; ж - налипание; з - глубинный вырыв материала и перенос его

С другой поверхности трения

 

Различные поверхности скольжения также подвержены характерным видам износа (рис. 3). В процессе эксплуатации зубчатых передач вследствие контактной усталости материала рабочих поверхностей зубьев и под действием касательных напряжений возникает выкрашивание рабочих поверхностей, т.е. отделение частиц материала, 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 поверхности трения материала в форме чешуек).

На рис. 3, в показана поверхность, разрушенная коррозией. По­верхность чугунного порошневого кольца (рис. 3, г)повреждена следствие эрозионного изнашивания, которое происходит при движении поршня в цилиндре относительно жидкости. Находя­щиеся в жидкости пузырьки газа лопаются вблизи поверхности поршня, что создает местное повышение давления или темпера­туры и вызывает износ деталей. На поверхности тормозного барабана (рис. 3, д)показаны риски, которые появляются при воз­действии на вращающийся барабан твердого тела или твердых ча­стиц. Задиры (рис. 3, е)образуются в результате схватывания поверхностей при трении вследствие действия между ними молеку­лярных сил. На рис. 3, жпоказана рабочая поверхность детали с налипшими на нее посторонними частицами, а на рис. 3, з — поверхность детали с износом при заедании в результате схватывания — глубинного вырыва материала и переноса его с другой поверхности трения.

Признаки износа

Об износе деталей машины или станка можно судить по характе­ру их работы. В машинах, имеющих коленчатые валы с шатунами (двигатели внутреннего сгорания и паровые, компрессоры, эксцент­риковые прессы, насосы и др.), появление износа определяют по глухому стуку в местах сопряжения 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 случаях износа деталей шпоночных и шлицевых соединений.

Износ в сборочных единицах станка можно установить не только на слух, но и по виду поверхностей заготовок, обработанных на этом станке. Если, например, при обработке заготовки на токарном станке на ее поверхности через равные промежутки появляются кольцевые выступы или впадины, то это означает, что в фартуке станка износились зубья реечного колеса и рейки; движение суппорта вместо плавного стало прерывистым. Этот дефект часто обнаруживается при износе направляющих станины и каретки суп­порта, нарушающем соосность отверстий фартука и коробки по­дач, через которые проходит ходовой вал.

Следы дробления на обтачиваемом валике, установленном в ко­ническом отверстии шпинделя, свидетельствуют об увеличении зазора между шейками шпинделя и его подшипниками вследствие их износа. Если обрабатываемая на токарном станке заготовка получается конической, значит, изношены подшипники шпинде­ля (главным образом передний) и направляющие станины, а если овальной — изношена шейка шпинделя, принявшая форму овала. Увеличение мертвого хода укрепленных на винтах рукояток сверх допустимого — свидетельство износа резьбы винтов и гаек.

Об износе деталей машин часто судят по появившимся на них царапинам, бороздкам и забоинам, а также по изменению их фор­мы. Детали машин, работающие со значительными знакоперемен­ными нагрузками, осматривают через увеличительное стекло (лупу), проверяя, нет ли у них мелких трещин, которые могут послужить в дальнейшем причиной поломки. В некоторых случаях проверку осуществляют с помощью молотка: дребезжащий звук при обсту­кивании детали молотком свидетельствует о наличии в ней значитель­ных трещин.

О работе сборочных единиц с подшипниками качения можно судить по характеру издаваемого ими шума. Лучше всего выполнять такую проверку специальным прибором — стетоскопом. При его от­сутствии пользуются металлическим прутком, который приклады­вают закругленным концом к уху, а заостренным — к тому месту, где находится подшипник: при нормальной работе слышен слабый шум — равномерное тонкое жужжание; если работа подшипников нарушена, возникают сильные шумы. Свист или резкий (звенящий) шум указывает на отсутствие в подшипнике смазки либо на защем­ление шариков или роликов между беговыми дорожками внутреннего

и наружного колец. Гремящий шум (частые, звонкие стуки) озна­чает, что на шариках, роликах, кольцах появились язвины либо в подшипник попала абразивная пыль или грязь. Глухие удары сигна­лизируют об ослаблении посадки подшипника на валу и в корпусе.

Работу подшипника можно проверять и по нагреву, определяе­мому на ощупь наружной стороной кисти руки, которая безболез­ненно выдерживает температуру до 60^оС. Так, например, определя­ют повышенный нагрев подшипников, который может быть следстви­ем защемления шариков или роликов между беговыми дорожка­ми в результате отклонения от соосности опор, а также возникать из-за отсутствия смазки (особенно в тех случаях, когда вал вра­щается с большой частотой). Перегрев подшипника может появить­ся при больших частотах вращения вала также в случае избытка смазочного масла или его повышенной вязкости, создающей до­полнительное сопротивление вращению вала. Значительный на­грев вызывает ускоренный износ подшипников.

Тугое проворачивание вала свидетельствует об отсутствии соос­ности между ним и подшипником или о чрезмерно тугой посадке подшипника на валу или в корпусе. Дребезжащий стук в цилиндре компрессора сигнализирует о поломке или повышенном износе поршневых колец, а глухой — об износе поршня и цилиндра. Стук маховика может быть следствием нарушения его посадки на валу. Недостаточное давление в пневмосистеме является результатом утечки сжатого воздуха из соединений трубопроводов, пробук­совки приводных ремней, износа цилиндра, поршня и других де­талей компрессора.