Файл: Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин.pdf

Проведенные исследования, а также опыт эксплуатации тракторов, экскаваторов, многих строительно-дорожных машин и различного рода двигателей показали, что абразивному изна­ шиванию могут противостоять очень твердые металлы и их сплавы, твердости которых или их структурных составляющих (фаз) мало отличаются от твердости абразива. Следовательно, при одной и той же твердости износостойкость различных мате­ риалов в условиях абразивного износа зависит от их микро­ структуры и твердости отдельных структурных составляющих. Поэтому для повышения износостойкости в условиях абразив­ ного износа необходимо упрочнять металлы способами химико­ термической обработки, обеспечивающими получение на рабо­ чих поверхностях деталей карбидов, нитридов, карбоборидов и других высокотвердых фаз.

Для повышения износостойкости в условиях абразивного износа при выборе термической обработки стали следует руко­ водствоваться получением наибольшей твердости при достаточ­ ной вязкости (из условий прочности). Следует также учитывать наиболее рациональную для абразивного изнашивания микро­ структуру стали. При выборе материалов для узлов трения, работающих в условиях абразивного износа, надо учитывать влияние нагрузки, скорости скольжения, температуры и агрес­ сивности абразивной среды. На скорость изнашивания при тре­ нии качения влияет степень проскальзывания трущихся поверх­ ностей.

С увеличением степени проскальзывания износостойкость снижается.

Лабораторное исследование износостойкости чугуна в зави­ симости от его структуры (изнашивание производилось абразив­ ной прослойкой по способу взаимного шлифования) показало, что лучшие результаты в отношении износостойкости чугуна имели образцы, структура металлической основы которых получена путем закалки и отпуска при температуре 400° С (троосто-сорбит) ; повышение износостойкости при увеличении твердости чугуна происходит только тогда, когда это связано с увеличением твердости металлической основы, а не с измене­

И. Я. Горбульский. За эталон при этом сравнении была принята

сталь 50. Ниже приведена относительная износостойкость, по­ лученная при исследовании различных материалов:

подъемных кранов, работающих в запыленной атмосфере металлургических цехов, было обнаружено, что там, где

зочным материалом, или из антифрикционного чугуна с глобу­ лярным графитом. Если же по условиям прочности блоки должны быть стальными, то ручьи этих блоков необходимо наваривать чугуном, антифрикционные свойства которому при­

уменьшает износ самих блоков.

При изготовлении деталей цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания (гильзы цилиндров, поршне­ вые кольца), а также кулачков, толкателей, направляющих клапанов и подшипников рекомендуется использовать низколе­ гированные чугуны с добавками никеля марок ЧНХТ, ЧН1ХМД и ЧН1МШ (ГОСТ 11849—66). Хорошими антифрикционными свойствами обладает пористый чугун (АПЧ), который приме­ няют в качестве вкладышей подшипниковых узлов вместо более дорогих оловянистых и других бронз. Перспективным яв­ ляется изготовление из этого чугуна червячных колес тихоход­ ных передач.

Наибольшее распространение получили полиамидные смолы и поликапролактам. Эти пластмассы, обладая хорошими проч­ ностными свойствами, имеют повышенную износостойкость, в том числе высокую стойкость против абразивного изнашивания.

Данные о сравнительных лабораторных испытаниях шарни­ ров в абразивной среде (рис. 59) показывают увеличение шага шарниров со втулками из различных материалов в зависимости от числа циклов качания N. Испытываемые шарниры имели одинаковую конструкцию, а по размерам и нагрузкам соответ­

ствовали шарнирам звеньев гусениц быстроходных машин.

(25%), разведенных в воде. Как показали испытания, износ шар­ ниров с пластмассовыми втулками был в 2—3 раза меньше, чем износ шарниров со втулками из стали Г13Л.

Наибольшей износостойкостью обладают пластмассы П54,

показывает, что износостойкость пластмасс практически не зави­ сит от твердости.

Перспективным материалом для некоторых деталей, рабо­ тающих в абразивной среде, является керамика, которая для деталей машин в настоящее время используется еще мало. Однако сравнительные эксплуатационные испытания на износо­ стойкость наконечников сельскохозяйственных опрыскивателей, выполненных из твердого сплава, керамики и стали, показали соотношения износостойкости трех этих видов наконечников как 18:3:1. Испытания позволили сделать вывод об экономической целесообразности замены стальных наконечников керами­ ческими.

Требования к материалам для несущих деталей и сборочных единиц

Несущая способность деталей и механизмов в значительной степени определяется соответствием физико-механических свойств материалов, выбранных для их изготовления, условиям эксплуатации. Все используемые в современном машинострое­ нии металлы и сплавы применяют в поликристаллическом состоянии. При этом огромное количество зон сопряжения отдельных кристаллов (границ зерен) влияет на прочность материалов. По мере повышения температуры сопротивление разрушению, как правило, снижается.

Изменяется также и механизм разрушения, которое проис­ ходит при неизменной скорости нагружения и относительно низких температурах преимущественно по телу зерен и при

более высоких температурах — по границам зерен. Температуру, при которой прочности тела и границ зерен одинаковы, часто называют эквикогезивной, значение ее непостоянно и зависит от ряда факторов (скорости нагружения, микроструктуры мате­ риала, длительности испытания и др.).

Изменение прочности тела и границ зерен в зависимости от температуры позволяет сделать следующие выводы. В материа­ лах, предназначенных для эксплуатации при низких темпе­ ратурах, особое внимание следует уделять упрочнению тела зерен, тогда как в материалах, используемых для изготовления деталей машин и механизмов, работающих в условиях высоко­ температурного нагрева, необходимо в первую очередь увели­ чивать прочность границ зерен.

Детали машин в процессе работы испытывают действие статических или переменных напряжений. Если эти напряжения превышают определенный уровень, то в материале детали по истечении определенного времени или числа циклов изменения напряжений начинают происходить необратимые изменения, которые вызывают старение и потерю работоспособности деталей.

Возникновение очагов начала разрушения и развитие про­ цесса старения зависят от многих факторов (характера и усло­ вий нагружения, материала, окружающей среды, конструкции детали и др.).

Старение материала деталей обычно происходит при экс­ плуатации машин. Например, сталь ржавеет, пластмасса теряет летучие компоненты, подшипники изнашиваются. Как пока­ зано в гл. I, для любого изделия, стареющего со временем, скорость изменения его свойств является функцией энергии реакций, происходящих в пределах этого изделия.

Анализируя данные гл. I, можно заключить, что при посто­ янстве внешней среды прочность изделия уменьшается со вре­ менем по экспоненциальному закону. Срок службы изделия до достижения минимальной прочности обратно пропорционален концентрации материала; логарифм долговечности изделия, отвечающей определенному значению прочности, обратно про­ порционален энергии среды. Проведенные исследования [106] различных материалов и сред подтверждают, что прочность R реального изделия будет превышать приложенную нагрузку Q лишь в течение ограниченного срока службы t\, так как проч­ ность обычно уменьшается в процессе старения. Поэтому изде­ лия будут работать без отказов только в течение некоторого конечного периода времени t\. За время tx надежность Р изде­ лия равна единице, а по истечении этого времени надежность равна нулю (рис. 60).

При известной нагрузке, а также начальной и мгновенной прочности изделия долговечность t можно вычислить аналити­ ческим способом. Для этого нужно решить уравнение R(t) = Q

Рис. 60. Изменение надежности Р в процессе снижения прочности (старения) при постоянной нагруз­ ке

Рассматривая физическую сущность старения, следует отме­ тить, что невозможно описать надежность изделия, находя­ щегося под действием нагрузки и среды, без учета времени и, особенно, долговечности изделия. В изделии, испытывающем старение, уменьшение нагрузки увеличивает его долговечность. Допустимая нагрузка на изделие зависит от количества энер­ гии и материала, присутствующего в среде, и требуемой долго­ вечности. Повышение долговечности изделий можно осуществить путем увеличения прочности изделия, уменьшения нагрузки, приложенной к изделию, и уменьшения скорости старения из­ делия. В процессе проектирования машин выбирается коэффи­ циент запаса прочности и соответствующая надежность. Реаль­ ный запас надежности в значительной степени определяется процессом производства. Послепроизводственные события, происходящие в период эксплуатации, связаны с величинами приложенных нагрузок и скоростью старения. Изменение ско­ рости старения (долговечности) можно обеспечить путем при­ менения соответствующих материалов для изготовления деталей и защиты их от воздействия внешней среды (потоков энергии) и проникновения материалов, вызывающих нарушения нормаль­ ной работы деталей соединений (наличие барьеров).

Материалы с высоким значением энергии активации испы­ тывают меньшее старение под влиянием того же количества энергии, участвующего в процессе старения. Такие материалы используются при работе в тяжелых энергетических условиях