ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.04.2020
Просмотров: 774
Скачиваний: 5
РАЗДЕЛ 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПЕРЕМЕННОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ
ДЕТАЛЕЙ И ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ
1.1. Неравномерный
износ как элемент процессов
изнашивания
деталей
Многовековой опыт хозяйственной деятельности человека дает
обширный материал о процессах изнашивания поверхностей. С самых
древних времен люди сталкивались с проблемами износа и путями их решения.
Очевидно, первой проблемой долговечности, с которой столкнулось
человечество, был износ пола и дорог. Эта проблема была решена за счет
применения более твердых и износостойких материалов, таких как каменные
и мраморные блоки. Но именно эти памятники истории с тысячелетним
возрастом (и сроком эксплуатации) наиболее наглядно демонстрируют
неравномерность процессов изнашивания в разных зонах эксплуатации
поверхности. Так, наибольшим износам подвержены участки пола у входа-
выхода, у определенных объектов (алтаря и т.д.), по центру лестниц, кромки ступеней, пороги и т.п. Неравномерность износов приводит к нарушению
макрогеометрии поверхности и, как следствие, к замене всей поверхности, хотя в большинстве случаев остальная часть поверхности могла бы эксплуатироваться еще длительное время.
По мере создания и развития техники человечество столкнулось с узлами трения машин и механизмов. Так, оси телег, петли дверей были
первыми узлами трения, и их необходимо было изготавливать из более износостойких материалов, чем само изделие, например, железными или бронзовыми. Но многолетний и даже многовековой опыт использования этих узлов трения показывает, что даже эти простейшие узлы трения изнашиваются неравномерно: наибольшие износы наблюдаются в местах
\
18
приложения нагрузки. И снова это приводит к нарушению макрогеометрии
поверхности трения и выходу узла из строя.
В конце ХГХ века началось бурное развитие техники и
промышленности. Появились станки, машины; тепловые двигатели
пароходы, автомобиля, железная дорога и другое. Начали применяться новые сплавы и неметаллические материалы для узлов трения. Применены смазки и системы смазывания узлов трения, герметизация и охлаждение трущихся поверхностей. Но подход распространения на всю поверхность трения процессов, протекающих только в какой-то ее части, или постулирование постоянства и неизменности скорости изнашивания ведущих процессов ко всей поверхности трибосопряжения оставались незыблемыми.
Поэтому и технологические процессы повышения износостойкости, изменяющие свойства поверхности детали, как правило, применяются таким образом, что в любой зоне поверхности трения они одинаковы в пределах технологического разброса. Таким образом, образуются детали с одинаковыми физико-механическими свойствами по всей поверхности трения независимо от реальных изменений условий внешнего нагружения в отдельных зонах и даже точках.
Такой подход приводит не только к неадекватности свойств поверхностного слоя к условиям внешнего нагружения. но и вынуждает, например, упрочнять всю поверхность, исходя из максимально действующих факторов нагружения (давления, температуры и т.д.) в определенной зоне, что не только усложняет и удораживает технологию обработки, но и даже приводит к снижению ресурса всего узла трения (как в случае с шейкой коленчатого вала).
Последнее становится проблемой при применении бурно развивающихся технологий и требует решения в качестве одной из основных
проблем инжиниринга поверхностей.
Изучение характера износа поверхностей узлов трения машин и
механизмов показывает, что практически невозможно найти поверхность
трения, в пределах которой все внешние факторы нагружения имели бы стабильные параметры. Вследствие этого практически все Поверхности в разных точках изнашиваются неравномерно. Происходит ли это в ре разного времени нахождения во фракционном контакте, как у направляющи станков, пола и т.д., либо в результате различных давлений, скоростей температуры, условий смазки, загрязнений и т.д. поверхности трения практически всегда изнашиваются неравномерно. Это приводит к искажению макрогеометрии поверхности трения, ухудшению точностных, индикаторных и других параметров машин и механизмов, снижению их эксплуатационных показателей и необходимости ремонта или замены.
При разработке технологических методов упрочнения рабочих поверхностей необходимо дифференцированно подходить к физико-механическим свойствам поверхности в каждой точке фрикционного контакта. В случае наличия критических точек на поверхностях трения в дополнение к технологическим мероприятиям должны использоваться конструктивные решения по снижению внешних параметров трения в этих зонах.
1.2. Характеристики переменного износа рабочих поверхностен в зависимости от условий нагружения
Рассмотрим примеры изнашивания деталей в случае воздействия одного, двух, трех и больше факторов внешнего трения, значения которых будут меняться в зависимости от расположения зоны или точки поверхности трения.
Наибольшее количество характерных примеров могут дать стандартные узлы двигателей внутреннего сгорания. Кроме этого, ДВС являются самым распространенными тепловыми двигателями в мире, хорошо изуче теоретически, получен обширный материал по их эксплуатации, рас проектированию и т.д. Вопросы их производства и эксплуатации
Износ кулачка также сильнее на участке подъема клапана чем
участке закрытия, хотя скорости трения на этих участках щ,пяцМ
J * *-у лачка равные
вследствие симметричности его профиля, а давление на участке ™т
j id» 1лс подъема
выше в результате наложения сил инерции. А на участке закрытия клапана силы инерции разгружают фрикционный контакт. Детально эта проблема рассмотрен* в работе автора [83].
Детали цилиндропоршневой группы. Наиболее интересными с точки зрения разнообразия внешних факторов воздействия на процессы трения и изнашивания являются детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ) ДВС, а более конкретно - основная трущаяся пара "втулка
цилиндра - поршневое кольцо" (термин "втулка" употребляется применительно к судовым и тепловозным двигателям, а "гильза" - к автомобильным, тракторным и авиационным двигателям).
Детали цилиндропоршневой группы относятся к наиболее напряженным и ответственным деталям дизеля. Ресурс двигателя определяется, в первую очередь, надежной и долговечной работой основной трущейся пары - втулка
(гильза) цилиндра и поршневое кольцо. Эти детали находятся в наиболее тяжелых условиях эксплуатации и являются наименее долговечными из основных деталей двигателя. На процесс износа втулок цилиндров, поршней и поршневых колец оказывает влияние большое количество факторов, зависящих от типа двигателя, конструктивных особенностей, уровня форснровки, применяемого топлива и масла, подготовки обслуживающего персонала, климатической зоны эксплуатации и многого другого.
Увеличение степени наддува приводит к росту максимальных давлении сгорания, увеличению давлений трения между поршневыми кольцами и втулкой цилиндра. Повышение удельной мощности двигателя путем наддува приводит к возрастанию количества тепла, выделяющегося в цилиндре, и росту его теплонапряженности. Возросшее количество тепла, отводимого через кольца, влечет за собой повышение температуры кольца и рабочей
3 26
поверхности втулки. У лучших современных двигателей максимальное
давление сгорания достигает 13... 15 МПа и температура рабочей поверхности
втулки в зоне верхней мертвой точки (ВМТ) первого компрессионного кольца
- 200...240 °С. Конструктивная невозможность подвода смазки в зону трения
компрессионных колец, коробление поверхности трения втулки вследствие
асимметрии температурных полей, высокие давления трения и высокие
температуры сильно интенсифицируют процесс изнашивания. Таким образом,
технический прогресс в области дизелестроения, направленный на увеличение
удельной мощности современных двигателей, неизбежно связан с ростом
давлений трения и тепловой напряженности деталей ЦПГ, что неизбежно
приводит к ухудшению условий трения и интенсификации износа втулок: цилиндров, поршневых колец и поршней.
До настоящего времени нет единого мнения среди исследователей о \ природе изнашивания втулок цилиндров ДВС. Многие авторы отмечают, что втулка цилиндра одновременно подвергается молекулярно-механическому, коррозионно-механическому и абразивному изнашиванию и что процесс молекулярно-механического изнашивания | наиболее вероятен в верхней части цилиндра, где вследствие недостаточной смазки, малой скорости поршня, высоких температур и давлений нарушается непрерывность масляной пленки, и в отдельных точках возникает схватывание поверхностей трущихся пар. С другой стороны, высокие температуры поверхности втулки, разрыв масляной пленки и тепловое излучение процесса сгорания топлива способствуют интенсивному образованию окисных и лаковых пленок. Наличие этих пленок на поверхности трения препятствует соприкосновению ювенильных поверхностей и тем самым устраняет вероятность схватывания поверхностей трущихся пар.
Коррозионно-механический износ втулок цилиндров состоит во взаимодействии металла поверхностей трения с газообразными и жидкими продуктами сгорания топлива, окисления масла и воды. Коррозионно-
механический износ состоит обычно из двух фаз : фазы воздействи агрессивного вещества на металл и образования окисной пленки и фазы удаления этой пленки с поверхности трения. Считается, что для цилиндров двигателей основное значение имеет электрохимическая коррозия являющаяся результатом взаимодействия с металлом слабых кислот растворенных в воде и сконденсировавшихся на стенках цилиндров Образование конденсата происходит при температуре стенки, равной или меньшей температуры насыщения водяного пара, которая зависит от параметров работы двигателя и переменна по углу поворота коленчатого вала Максимальные значения температуры насыщения водяного пара достигаются при повороте коленчатого вала на угол 10...20° от верхней мертвой точки а затем быстро снижаются. Можно предположить, что интенсивность! электрохимической коррозии будет пропорциональна количеству сконденсировавшейся воды, т.е. иметь максимум в верхней части втулки и! уменьшаться к нижней части. Однако неоднократные проверки характера износа цилиндров при работе двигателя при предельно низких тепловых режимах, когда коррозионно-механическос изнашивание имеет доминирующее значение, показали, что цилиндры обычно имеют износ, приблизительно одинаковый по длине образующей цилиндра, и даже при максимуме в их средней и нижней частях. Отсюда видно, что природа коррозионно-механического износа втулки изучена еще недостаточно и не все процессы объяснимы с ее точки зрения. Нельзя рассматривать только коррозионно-механический износ втулок без учета остальных факторов.
Большоё\.количество работ [41-45] посвящено вопросу изучения абразивного изнашивания деталей машин и, в частности, цилиндров двигателей. Абразивное изнашивание деталей ЦПГ вызывается, в основном, частицами минеральногоЧшоисхождения, проникающими в цилиндр вместе с воздухом. Максимальный изЧюс находится в верхней части втулки, сильно изнашивается верхнее компрессионное кольцо и канавка под него в поршне. Абразивное изнашивание заключается в процессе микрорезания и царапанья