Сорокин В.М., Курников А.С. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин: курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

271

В качестве промывочных материалов применяют керосин, неэтилиро-

ванный бензин, дизельное топливо, активные растворители (щелочные

растворы, четыреххлористый углерод и др.).

Применение того или иного промывочного материала или раствори-

теля зависит от степени загрязнения поверхностей, наличия и толщины

лаковых отложений.

Гидравлические системы после слива рабочей жидкости наполняют

растворителем, включают насос и переставляют золотники или краны так,

чтобы облегчить промывку устройств и гидропроводов. Циркуляционную

смазочную систему автотракторных двигателей рекомендуется промывать

так: снять масляные фильтры, поставить их колпаки и, использовав спе-

циальные наконечники, промыть систему с помощью нагнетателя сначала

в направлении масляного насоса, а затем – в направлении подшипников

коленчатого вала, поворачивая последний вручную на пол-оборота; затем

с помощью нагнетателя вытесняют остатки дизельного топлива и запол-

няют систему чистым маслом.

Одновременно с промывкой и заливкой картеров производят промыв-

ку всех точек ручного смазывания. Должны быть также тщательно очи-

щены детали, связанные с вентиляцией в системе. Обычно при смене мас-

ла заменяют фильтрующие элементы фильтра тонкой очистки.

Перед вводом в эксплуатацию машины, находящейся на длительном

хранении, необходимо тщательно удалить с нее консервирующую смазку.

Двигатели внутреннего сгорания прогревают для этого горячей водой до

температуры блока цилиндров (60…70) С. После удаления консерви-

рующей смазки с деталей и спуска ее из картеров промывают систему.

Соблюдение этих условий необходимо, ибо остатки тугоплавкой консер-

вирующей смазки могут уже в первые часы работы машины закупорить

масляные каналы и прекратить доступ масла к смазываемым точкам.

8.2 Обкатка машин

Как новая, так и отремонтированная машина или механизм перед вво-

дом в эксплуатацию в соответствии с паспортными данными должны

пройти обкатку. Назначение обкатки – приработка в едином комплексе

всех пар трения, входящих в состав машины.

Погрешности сопрягаемых поверхностей деталей и неточности во

взаимном расположении рабочих поверхностей в сопряжениях обуслов-

ливают весьма малую фактическую площадь взаимного контакта деталей.

Приложение эксплуатационных нагрузок к деталям при таком контакти-

ровании их поверхностей привело бы при работе машины к быстрому пе-

регреву во многих парах и их заеданию. Обкатка машины или механизма

272

готовит детали к восприятию эксплуатационных нагрузок при соответст-

вующих скоростных режимах.

Во время обкатки должны быть реализованы два процесса.

Первый процесс можно назвать макрогеометрической приработкой,

второй – микрогеометрической. Микрогеометрическая приработка прохо-

дит сравнительно быстро. У автомобильных двигателей на это требуется

(1…2) ч, между тем как полная приработка двигателя длится (35…40) ч, а

полная обкатка тракторных двигателей по некоторым режимам

(50…60) ч. Значительные технологические дефекты изготовления деталей

и сборки машины и конструктивные недочеты в обеспечении хорошего

взаимного прилегания поверхностей не могут быть устранены при обкат-

ке и даже при работе машины в течение межремонтного периода.

Приработка протекает на отдельных участках в режимах трения при

граничной и полужидкостной смазке. При этом происходит повышенное

накопление продуктов изнашивания. Возможно отделение крупных час-

тиц при выкрашивании и срабатывании наиболее выступающих неровно-

стей поверхности. Желательно поэтому при стендовой обкатке машин в

зависимости от их типа и масштабов производства иметь специальную

циркуляционную смазочную систему с усиленной фильтрацией для пре-

дохранения поверхностей трения от повреждений продуктами изнашива-

ния, что вызывает необходимость увеличить время приработки. После

приработки масло в картерах и остальных элементах системы загрязняет-

ся и его следует считать отработанным. Слив масла для лучшего удаления

отстоя и загрязнений производят, когда масло достаточно прогрето. Кар-

тер промывают маловязким маслом или смесью масла и керосина. Масля-

ные фильтры и отстойники промывают керосином или другой промывоч-

ной жидкостью. Промывка трущихся поверхностей керосином после об-

катки недопустима: керосин смывает масляную пленку и после пуска ма-

шины поверхности будут кратковременно работать без СМ. Разборка уз-

лов трения по окончании стендовой обкатки для контроля деталей приво-

дит в дальнейшем к необходимости дополнительной обкатки.

Критерии оценки окончания приработки:

1) переход на прямолинейный участок кривой изнашивания (можно

установить по наличию железа в масле);

2) минимум мощности при холостом ходе машины;

3) стабилизация момента трения и температуры;

4) наибольшая эффективная мощность двигателя при заданной скорости;

5) достижение заданной степени прилегания контактирующих по-

верхностей.

Длительность обкатки определяется начальной шероховатостью по-

верхностей трения, точностью обработки деталей и их сборки, материа-

лом деталей наиболее напряженных пар трения и зависит от эксплуатаци-

273

онных режимов работы машины, от режима обкатки и от свойств смазоч-

ного материала.

8.3 Технология и режимы обкатки машин

Под технологией обкатки понимают последовательность и длитель-

ность нагружения машины при соответствующих скоростных режимах.

Обкатку машины начинают с холостого хода на малых скоростях. Холо-

стой ход используют также для проверки исправности всех устройств и

систем. Если при эксплуатации машины некоторые узлы трения работают

при повышенных температурах, то при обкатке должен быть этап, соот-

ветствующий такому тепловому режиму машины. Обкатка, например,

автотракторных двигателей складывается из холодной (с приводом от по-

стороннего источника) и горячей. Режим горячей обкатки под нагрузкой

иногда относят к испытаниям. Различные варианты режимов обкатки свя-

заны с разной их продолжительностью и дают неодинаковую величину

первичного (приработочного) износа. В результате обкатки могут про-

изойти некоторые изменения физико-механических свойств материала

приповерхностного слоя, затронутого приработкой. Последнее обстоя-

тельство не может иметь существенного значения в парах трения сколь-

жения при допустимом линейном износе около 50 мкм.

Оптимальный вариант режима обкатки машины должен удовлетво-

рять требованиям наименьшего первичного износа трущихся частей, ми-

нимальных затрат времени и средств. Особенно важно определить опти-

мальный режим обкатки двигателей внутреннего сгорания, как наиболее

распространенных машин, имеющих большое число узлов трения сколь-

жения с тяжелыми условиями работы.

Режим обкатки нельзя рассматривать изолированно от применяемых

для приработки масел и топлив. Свойства смазочного материала при об-

катке, как и при любом режиме трения смазанных поверхностей, имеют

существенное значение. Маловязкие масла, проникая через узкие щели,

лучше, чем пластичные СМ, отводят теплоту от поверхностей трения,

лучше смывают с рабочих поверхностей образовавшиеся продукты изна-

шивания; фильтрация таких масел и выделение из них загрязнений облег-

чены. Распространены рекомендации о применении во время обкатки сма-

зочных масел в (2…3) раза меньшей вязкости, чем масла, применяемого в

эксплуатации для данной машины. Режимы обкатки при этом подбирают

такими, чтобы было исключено заедание узлов трения. При обкатке авто-

тракторных двигателей применяли веретенные масла, дизельное топливо

в чистом виде или в смеси с маслом, на котором работает двигатель.

274

Нижний предел вязкости масла назначается таким, чтобы была обеспече-

на достаточная его подача для охлаждения поверхностей.

Для сокращения времени обкатки применяют присадки к маслам, по-

зволяющие форсировать режим. При этом для обкатки часто используют

масла требуемой в эксплуатации вязкости, поскольку при повышенном

температурном режиме масло разжижается. Присадками к маслам при

обкатке могут служить поверхностно-активные вещества, их металличе-

ские мыла, органические соединения серы, хлора, фосфора и других ком-

понентов; металлоплакирующие (МКФ18У).

В основе действия поверхностно-активных веществ лежит их способ-

ность адсорбироваться на поверхностях раздела фаз. При невысоких дав-

лениях в контакте СМ, образуя прочный адсорбированный слой, разделя-

ет поверхности трения и уменьшает износ. На неприработанных поверх-

ностях, где развиваются высокие местные давления, смазочный материал,

пластифицируя металл, ускоряет изнашивание.

Действие присадок, содержащих серу, хлор и фосфор, основано на

образовании легко срабатываемых пленок, которые получаются в резуль-

тате химического взаимодействия активного элемента с металлом детали.

Из указанных элементов сера является наиболее активной и доступной,

поэтому серосодержащим присадкам уделено наибольшее внимание. Се-

росодержащие масла образуют различного состава сульфиды железа, ме-

ди, алюминия, олова, сурьмы, магния и ускоряют образование окислов

железа. На меди и сплавах на ее основе образуется сплошная сульфидная

пленка относительно большой толщины. Сера, проникая в межкристал-

литные границы и микротрещины поверхностных слоев стальных и чу-

гунных деталей, действует как поверхностно-активное вещество.

Ранее уже отмечалось облегчение приработки нанесением прирабо-

точных покрытий. Заслуживает внимания попытка использования для

этих целей тончайших пленок из высокополимерных материалов. Иногда

практикуют травление шеек коленчатых валов на глубину (1…3) мкм. На

некоторых заводах производили травление рабочих поверхностей цилин-

дров крупных двигателей.

В заключение отметим, что фрикционные пары тоже требуют прира-

ботки для лучшего прилегания поверхностей, а в некоторых случаях для

создания на поверхности рабочего слоя нужного качества, как, например,

при накладках из ретинакса.

8.4 Стендовые и эксплуатационные испытания

Стендовые испытания машин серийного изготовления служат для

контроля их качества; испытания используют также для выполнения не-

275

обходимых регулировок. Уникальные машины или машины высокой

мощности не могут быть испытаны на заводах-изготовителях в условиях,

соответствующих эксплуатационным (крупные гидравлические, паровые

и газовые турбины, мощные судовые двигатели и др.). В таких случаях

ограничиваются испытанием агрегатов, узлов или всей машины на холо-

стом ходу на заводском испытательном стенде, выявляя при этом неточ-

ности сборки, намечающееся повышенное изнашивание деталей и т. д.

Эти испытания позволяют заблаговременно устранить обнаруженные не-

исправности, что сокращает период монтажа и наладки на месте установ-

ки машины.

Стендовые испытания включают в себя два вида испытаний, неодина-

ковых по своему целевому назначению, организации и методике проведе-

ния. Первый вид испытаний машины или агрегата является одним из эта-

пов технологического процесса, следующим за окончанием сборочных

работ; задача его состоит в проверке правильности сборки и работы ма-

шины или агрегата. Собранная машина должна быть проверена на рабо-

чей частоте вращения, так как вследствие упругих и температурных де-

формаций, суммирования погрешностей в пределах допусков в сложной

размерной цепи узлов и механизмов возможны нарушения посадок с зазо-

рами и взаимного расположения деталей, а также другие дефекты.

Второй вид стендовых испытаний носит исследовательский характер

и проводится в лабораторных или близких к ним условиях. Эти испыта-

ния позволяют изучить технические характеристики машины, проверить

правильность выбора расчетных схем, конструктивных размеров и пара-

метров узлов, установить гарантийный срок службы, выявить наиболее

неблагополучные с точки зрения прочности, износостойкости, жесткости

и других признаков узлы и детали для разработки соответствующих кон-

структивных и технологических мероприятий.

Испытания на долговечность включают в стендовые испытания и вы-

являют время работы деталей до предельного износа или до разрушения

под действием статической, переменной или динамической нагрузок.

Стендовые испытания могут быть проведены на элементах узла, на

узле, взятом отдельно от агрегата, и на агрегате в сборе. Так, при испыта-

ниях ведущих мостов автомобилей испытывают отдельно картеры, полу-

оси, шестерни, подшипники и мосты в сборе.

В связи с разнообразием условий эксплуатации многих машин на их

работу влияют переменные факторы в различных сочетаниях. Преимуще-

ства стендовых испытаний состоят в том, что они позволяют изучить

влияние отдельных факторов на работу узлов и агрегатов; позволяют соз-

дать стабильные режимы нагружения, близко воспроизводящие те или

иные эксплуатационные условия, применить увеличенные или учащенные

нагрузки по сравнению с эксплуатационными для ускорения испытаний,

276

реализовать специальные режимы нагружения для сравнительной оценки

различных конструкций. При сроке службы машины, исчисляемом мно-

гими тысячами рабочих часов, стендовые испытания являются во многих

случаях единственной возможностью своевременной экспериментальной

проверки конструкции.

Стендовые испытания не могут заменить эксплуатационные испыта-

ния. Последние позволяют получить наиболее ценные сведения о работе

машины, являются основой для совершенствования конструкции машины,

установления предельных эксплуатационных зазоров подвижных посадок,

уточнения характера профилактических мероприятий технического об-

служивания машины и установления потребности в запасных частях.

Часто стендовые и эксплуатационные испытания являются ускорен-

ными. Однако ускоренные испытания нередко могут привести к неверным

заключениям. Это связано с тем, что ускорение испытаний требует повы-

шения скоростей, приложения больших нагрузок, при этом тепловые ре-

жимы работы деталей и режимы смазывания могут перегрузить отдель-

ные узлы трения, мало влияя на другие. Так как вид изнашивания зависит

от условий трения, то и режимы стендовых испытаний должны назначать-

ся такими, чтобы изнашивание деталей было того же характера, что и в

определенных условиях длительной эксплуатации, иначе оценка износо-

стойкости будет справедлива только для режимов, не свойственных или

редко встречающихся в эксплуатации.

Испытания на износостойкость отличаются большим рассеянием ре-

зультатов даже на лабораторных образцах, а тем более в узлах, агрегатах

или машине в целом. Рассеяние обусловлено различием геометрических и

механических свойств поверхностей трения в условиях их контакта, непо-

стоянством внешних условий и другими обстоятельствами. Во многих

случаях правильные выводы можно сделать только на основании испыта-

ний большого числа однотипных объектов с использованием статистиче-

ских методов обработки результатов.

Число машин, выделяемых из всей серии для эксплуатационных ис-

пытаний, зависит от их конструкции, назначения и условий эксплуатации.

При испытаниях необходимо выявить износ деталей. Методы опреде-

ления износа: взвешивание и измерение размеров деталей до и после ра-

боты; профилографирование поверхностей; нанесение на детали углубле-

ний (лунок), отпечатков алмазных пирамид и замер их или их слепков до

и после работы; определение количества продуктов износа в масле спек-

тральным методом или методом меченых атомов.

Косвенный метод определения износа основан на измерении тех или

иных параметров, позволяющих без разборки механизма оценить измене-

ние его технического состояния в результате изнашивания. Так, состояние

деталей цилиндропоршневой группы двигателей может быть оценено по

277

давлению в цилиндре в конце сжатия и в особенности по расходу масла

или по утечке газов в картер. Износ плунжерных пар оценивают по гид-

равлической плотности пары и по коэффициенту подачи. Суммарный из-

нос цапфы и рабочей поверхности подшипника можно определить по

смещению вала. Известен ряд приспособлений для замера зазоров в со-

пряжениях автомобильных двигателей без разборки узлов. Изменение

уровня шума в некоторых случаях может служить критерием оценки из-

носа.

При проведении стендовых и эксплуатационных испытаний и в конце

их необходимы исследования технического состояния трущихся деталей,

включающие в себя: определение работоспособности всех трущихся со-

членений; измерение зазоров в подвижных сопряжениях; микрометриче-

ский обмер деталей, в отдельных случаях дополнительно определение

шероховатости поверхности; снятие макропрофиля изношенной поверх-

ности; внешний осмотр поверхностей трения, при необходимости – ме-

таллографические исследования.

Измерение зазоров дает возможность определить без разборки соеди-

нения суммарный износ сопрягаемых деталей в их рабочем состоянии.

Таким способом следует пользоваться, например, при определении износа

шарнирных соединений систем управления различных агрегатов.

Признаки, характеризующие состояние поверхности трения, следующие:

– вырывы металла и крупные царапины (задиры), характерные для

твердых материалов;

– налипание на поверхность одной детали материала другой детали

(например, бронзы или алюминиевого сплава на сталь);

– царапины на поверхности трения, расположенные по направлению

движения деталей (при этом в смазочном материале могут быть обнару-

жены абразивные частицы);

– приобретение поверхностью стальной детали сплошь или местами

цвета меди с зеркальным блеском (наблюдается при трении стали по

бронзе или латуни в условиях смазывания спиртом, глицерином, бензо-

лом и другими жидкостями);

– наличие на поверхности трения блестящих участков с малой шеро-

ховатостью;

– темный цвет поверхности трения и малая шероховатость без цара-

пин, задиров и вырывов металла; при этом продукты изнашивания пред-

ставляют собой темный порошок оксида металла;

– различные дефекты на поверхностях – трещины, направленные по-

перек движения, отслаивание гальванических покрытий, очаги коррозии,

наличие цветов побежалости и др.

При осмотре узлов трения непосредственно после разборки необхо-

димо установить: в каких условиях смазывания работал узел; находится

278

ли в узле смазочный материал или он был выдавлен или выплавлен; како-

ва степень загущения смазочного материала в процессе эксплуатации и

имеются ли в нем абразивные частицы. Для характерных случаев изнаши-

вания следует производить фотографирование поверхностей трения дета-

лей при увеличении в (4…6) раз.

При обобщении и анализе материалов исследования технического со-

стояния деталей можно разделить все трущиеся сочленения на три группы:

1) имеющие удовлетворительное состояние поверхностей трения, а

размеры – в пределах допусков;

2) имеющие износ выше допустимого по техническим условиям;

3) вышедшие из строя по причине износа или имеющие износ, кото-

рый недопустим по условиям нормальной работы узла или агрегата.

Недопустимым для трущихся деталей многих машин является схва-

тывание, так как оно может привести к заклиниванию деталей и поломки

машины. Для сильно нагруженных деталей, работающих в условиях пе-

ременных нагрузок, недопустимо образование на поверхности трения ри-

сок и глубоких царапин, так как они могут снизить сопротивление устало-

сти деталей в несколько раз.

После выяснения причин повышенного или недопустимого по интен-

сивности изнашивания деталей можно в зависимости от обстоятельств

рекомендовать: улучшить прирабатываемость трущихся деталей приме-

нением противозадирных средств; увеличить износостойкость деталей

повышением твердости материала поверхностных слоев или нанесением

специальных покрытий; изменить условия работы детали (уменьшить

вибрацию или температуру); произвести замену материала деталей сочле-

нения; увеличить жесткость конструкции узла, или, наоборот, уменьшить

ее; улучшить условия смазывания; разработать меры по защите трущегося

сочленения от попадания пыли.

При анализе результатов исследования важно сопоставить данные об

износе исследуемых деталей, полученные при различных сроках наработ-

ки. Это поможет выяснить закономерности процесса изнашивания и ре-

шить вопрос об установлении предельных эксплуатационных зазоров и

срока службы трущихся сочленений.

8.5 Влияние условий эксплуатации и режима работы на

интенсивность изнашивания

Использование машин по назначению в надлежащих условиях и пра-

вильная загрузка их имеют важное значение для долговечности подвиж-

ных деталей. Так, например, применение для шлифовальных работ стан-

ков, предназначенных для нарезания точных резьб, сопряжено с абразив-

279

ным изнашиванием узлов трения и быстрой потерей станком точности.

Расположение точных винторезных станков вблизи станков для обработки

чугунных изделий или шлифования недопустимо по той же причине.

Возможны случаи, когда машина хотя и используется для выполнения

предназначенных для нее операций, однако характер ее загрузки способ-

ствует неравномерному изнашиванию деталей. Обработка коротких вин-

тов на станках, предназначенных для обработки длинных винтов, приво-

дит к повышенному износу ходовых винтов станков на коротком участке

и делает их в дальнейшем непригодными.

Непредусмотренные большие силовые воздействия интенсифицируют

изнашивание деталей. В связи с этим на прецизионных металлорежущих

станках нельзя производить обдирочные работы; припуск на отделочные

операции должен быть минимальным в соответствии с нормативами.

В двигателях внутреннего сгорания повышение нагрузки сверх опти-

мальной ведет к сокращению сроков их службы.

Пусковой период машины связан с повышенной интенсивностью из-

нашивания, которая зависит от длительности простоя машины перед пус-

ком, от температуры деталей и свойств смазочного материала. Пусковым

периодом следует считать промежуток времени от момента пуска до мо-

мента стабилизации теплового состояния машины. Пусковой период со-

провождается изменениями величин и форм зазоров, иногда – резкими; в

некоторых сечениях зазоры могут даже исчезнуть.

Значительный износ при пуске двигателя обусловлен рядом причин.

После остановки двигателя нагретое масло быстро стекает с горячих сте-

нок цилиндров и остается в подшипниках в незначительном количестве. В

момент страгивания поршня силы трения тем больше, чем больше пере-

рыв между остановкой и последующим пуском. Даже в летнее время теп-

ловой режим двигателя при пуске понижен, и температура стенок цилин-

дра ниже температуры точки росы кислот, содержащихся в продуктах

сгорания. Конденсируясь на стенках, кислоты вызывают их коррозию.

Весьма существенно и абразивное воздействие сохранившихся и образо-

вавшихся при пуске продуктов изнашивания. В карбюраторных двигате-

лях топливо, конденсируясь на стенках цилиндра, смывает с них масло.

Нормальная подача масла в верхнюю рабочую зону цилиндра начинается

только через (3…12) мин после начала пуска двигателя. В зимнее время

сохранившееся на стенках масло замерзает, а при пуске разрушается. Хо-

лодное загустевшее масло медленнее поступает к поверхностям трения.

Пуск автотракторного двигателя с помощью буксирования машины

приводит к чрезвычайно большим износам всех трущихся деталей, так как

двигатель некоторый промежуток времени работает без смазывания.

Вредно также трогание транспортной машины с места при застывшем в

картере масле.

280

Для уменьшения износа полезно перед пуском двигателя повернуть

коленчатый вал несколько раз вручную или с помощью стартера. Перед

пуском, например, судовых дизелей производят прокачку двигателя мас-

лом, сочетая эту операцию с проворачиванием коленчатого вала на 2…3

оборота валоповоротным устройством.

Переход на более форсированный режим работы машины может значи-

тельно ухудшить условия работы трущихся деталей. При эксплуатации ди-

зелей замечено, что вслед за увеличением частоты вращения коленчатого

вала давление подачи масла в подшипники заметно снижается и только че-

рез некоторое время начинает медленно повышаться до величины, соответ-

ствующей скоростному режиму работы машины. Аналогичные явления

наблюдаются в случае «разноса» двигателя (вследствие утери гребного

винта, заедания плунжеров топливных насосов и других причин).

В судовых двигателях, работающих непосредственно на гребной винт,

переход от малого хода на средний, тем более на полный ход, связан с

резким повышением нагрузки и при недостаточно прогретом двигателе

может привести к заклиниванию поршней в цилиндровых втулках.

Повышенное изнашивание деталей ходовой части транспортных ма-

шин происходит и в период их остановки. При тормозном моменте коле-

са, равном или превышающем момент от сил сцепления колеса с полот-

ном дороги, происходит переход от качения к скольжению (юзу). Юз при-

водит к местной выработке колес по кругу катания и уменьшает срок

службы шин из-за истирания протектора.

Длительные установившиеся режимы работы машины при нагрузках

ниже номинальных в некоторых случаях повышают скорость изнашива-

ния. Это относится в первую очередь к двигателям внутреннего сгорания,

где при подобных условиях тепловой режим неблагоприятен для работы

цилиндропоршневой группы, а скоростной режим – для смазывания по-

верхностей трения.

Работа машины характеризуется нагрузочным, скоростным и тепло-

вым режимами. Одна и та же производительность машины может быть

достигнута при различных сочетаниях параметров нагрузочного и скоро-

стного режимов. Некоторые сочетания могут оказаться наиболее выгод-

ными с точки зрения износостойкости, удовлетворяя вместе с тем требо-

ваниям экономичности.

8.6 Изменение свойств смазочного материала в эксплуатации

Физико-химические изменения. Смазочный материал в работе ста-

реет, т.е. его первоначальные свойства изменяются в результате физиче-

ских и химических процессов, которым он подвергается. При эксплуата-