Наиболее распространенными способами производства заготовок деталей машин являются литье и обработка металлов давлением.
Физико-механические свойства металла заготовок при литье зависят, главным образом, от условий и скорости кристаллизации металла в форме, наличия модификаторов в металле, состава окружающей газовой среды. Вакуумирование металла при плавке и разливке его в формы значительно улучшает свойства получаемых заготовок.
Расположение волокон в заготовках должно в известной степени повторять конфигурацию изделия и не перерезываться стенками детали. Таким образом, при ковке или горячей штамповке для обеспечения высоких свойств металла деталей следует стремиться получить такое расположение волокон, чтобы возникающие при эксплуатации напряжения совпадали с направлениями, в которых металл обладает максимальными прочностными свойствами. Это может быть достигнуто при правильном проектировании технологии горячей обработки металлов давлением с учетом последующей механической обработки.
Особенно чувствительными к направлению волокон в деталях являются ударная вязкость, относительное удлинение, относительное сужение, усталостная прочность, истинное сопротивление отрыву. Предел прочности, предел текучести и твердость практически изотропны. Степень анизотропности зависит также от способа выплавки металла. Например, анизотропность механических свойств основной электростали почти в два раза меньше, чем основной мартеновской стали. Есть основания предполагать, что наименьшей анизотропностью обладают стали, полученные с помощью вакуумной плавки, а наибольшей анизотропностью (до 60 %) – закаленные инструментальные стали, отличающиеся наличием карбидной полосчатости.
Опыт производства и эксплуатации машин показал, что в значительной степени долговечность и эксплуатационная надежность зависят от состояния и физико-механических свойств тончайших поверхностных слоев деталей, где зарождаются и развиваются процессы износа и повреждаемости усталостного и коррозионного разрушения. В связи с этим чрезвычайно важное значение приобретает окончательная обработка деталей, в результате которой формируется поверхностный слой деталей машин. В настоящее время разработано много технологических методов, позволяющих изменять строение и свойства поверхностных слоев металла в нужном направлении или создавать слои с заданными свойствами. Применение этих методов позволяет повышать износостойкость, стойкость против усталости и коррозии и другие эксплуатационные свойства деталей.
55
6.5.Эксплуатационные средства повышения надежности
идолговечности машин
Надежность машин в эксплуатации может быть обеспечена в результате решения двух основных задач: первая состоит в выборе допустимых для данной системы характеристик нагружения и среды; вторая – в назначении оптимальных регламентов эксплуатации и в достижении высокого качества технического обслуживания и ремонта. Часто первая задача предусматривает выбор оптимального типоразмера машины, обеспечивающего требуемые показатели надежности при заданных характеристиках нагружения и среды (повторности включений и выключений, характера изменения нагрузки, динамических характеристик привода и технологического процесса, температуры, агрессивности среды, наличия абразивов и т. п.). Эффективность решения этой задачи зависит от степени достоверности методов прогнозирования надежности при переменных воздействиях и совершенства методов и средств технической диагностики в процессе эксплуатации. Вторая задача включает выбор оптимальной системы обслуживания, в частности, технических уходов, ремонтов, транспортирования и хранения; разработку системы контроля, технической диагностики, сбора и обработки информации о качестве функционирования изделий в процессе эксплуатации; принятие оптимальных с точки зрения технико-экономических критериев различных этапов эксплуатации машин; повышение качества машин при восстановлении.
6.6. Пути повышения надежности машин при эксплуатации
В эксплуатации машин различают два этапа – до и после капитального ремонта. Различная прочность элементов современных машин вызывает большие трудности при оптимальном планировании технических уходов и ремонтов и часто приводит к преждевременным капитальным ремонтам.
Система планово-предупредительного обслуживания состоит из технического обслуживания, профилактических и очередных ремонтов. Применяемые формы организации обслуживания могут быть классифицированы по ряду признаков. По организационному признаку обслуживание бывает индивидуальным, выполняемым оператором машины, и специализированным – с применением специального обо-
56
рудования. Специализированная форма может быть функциональной (обслуживание однотипных машин узлов) и технологической (выполнение смазки или заправки); а территориальная – функциональной и технологической. Стандартная система обслуживания предусматривает проведение всех работ в жестко установленные сроки, независимо от технического состояния оборудования. Применение этой системы оправдано в тех случаях, когда основным показателем надежности является безотказность (авиация, сантехника, сложные системы и т. п.). В массовом производстве стандартная система применима, например, для процессов смены инструмента, замены смазочных материалов.
Планово-предупредительная система технического обслуживания является наиболее гибкой и объединяет жесткое планирование и работы по восстановлению, зависящие от технического состояния машины. В этой системе чрезвычайную роль играет наличие и уровень технической диагностики состояния машины, а также системы сбора и обработки информации о качестве ее функционирования.
Обкатка новой или восстановленной машины предусматривает работу в специальных условиях нагружения и среды по заданной программе и проведение специальных операций технического обслуживания. Этот период эксплуатации машин является весьма ответственным и от него в значительной мере зависит надежность и долговечность машины в реальных условиях эксплуатации. В процессе обкатки машин должно быть достигнуто состояние приспособляемости материалов при отсутствии любых видов повреждаемости.
Технический уход является основной профилактической процедурой и состоит в выполнении операций, необходимых для сохранения состояния технической готовности изделий. Технический уход может быть ежесменным, периодическим и сезонным. Разработка оптимальных сроков проведения технического ухода для определенного класса изделий может быть выполнена на базе данных о функционировании и надежности рассматриваемых изделий. Плановый ремонт может быть двух видов: текущий и капитальный, в зависимости от наработки изделия и объема работ по его восстановлению. Качество и трудоемкость ремонтов в значительной степени зависят от ремонтопригодности изделий, заложенной уже при их конструировании. Проектирование машин с учетом ремонтопригодности является одним из значительных резервов повышения надежности и долговечности.
57
6.7. Роль смазочных материалов при трении и износе
Знания о структурной приспособляемости материалов при трении показывают первостепенную роль среды в расширении диапазона и оптимизации параметров этого явления. Одним из наиболее эффективных средств практического использования среды для управления надежностью является применение смазочных материалов. При этом возникают два принципиально различных подхода: I – обеспечение безызносности контактирующих деталей за счет замены внешнего трения твердых тел внутренним трением в жидкости или газе, находящимися между контактирующими поверхностями; II–обеспечение эффекта структурной приспособляемости материалов и его оптимизация. В данном учебном пособии рассматривается лишь I подход, т. к. он является основным.
Первый подход включает две группы методов, реализующих создание газогидростатического слоя в зоне контактирования и условий возникновения гидродинамического клина между сопрягаемыми поверхностями. Первая группа связана с использованием внешних устройств, создающих высокое давление и герметизацию подвижного сопряжения и представляет внешнее регулирование. Ко второй группе относятся наиболее распространенные в технике методы создания саморегулируемого гидродинамического клина смазки в процессе взаимного перемещения контактирующих поверхностей. Этот клин обладает достаточной несущей способностью для обеспечения зазора между поверхностями и предотвращения внешнего трения твердых тел. При этом достигается эффект безызносности, реализуемый при заданных скоростных режимах относительного перемещения. Износ имеет место только при пусках и остановках, когда этот режим нарушается.
В основе гидродинамической смазки лежат процессы воспроизведения параметров движения, при которых возможно выполнение гидродинамических условий существования жидкости как сплошной среды. Последние определяются геометрией сопряженных поверхностей, обусловливающей тензор перемещений и скоростей в масляном слое, и вязкостью, определяющей прочность жидкости (смазки). Процесс внутреннего трения в жидкости сопровождается выделением тепла, что приводит к понижению ее вязкости. Таким образом, для гидродинамического трения основными характеристиками смазки являются вязкость и ее температурные характеристики.
58
Использование гидродинамических эффектов не всегда реализуемо в практике. Например, жидкая смазка может быть недопустима при ограничениях технологического процесса (объекты металлургической, пищевой и легкой промышленности, вакуумные и космические системы). В некоторых случаях образование масляного клина затруднено из-за неблагоприятных геометрических и кинематических параметров подвижного сопряжения (низкоскоростные сопряжения, сопряжения с неблагоприятным направлением вектора скорости перемещения по отношению к контактным линиям). В этом случае в процессе трения должны непрерывно создаваться разделительные вторичные структуры, экранирующие непосредственное взаимодействие твердых тел. Первым видом вторичных структур являются граничные слои смазки, адсорбированные на металлической поверхности, активированной трением. Другие виды вторичных структур связаны с превращениями металла.
Наиболее типичным видом вторичных структур трансформированного металла являются его соединения с кислородом. При трении несмазанных поверхностей продукты реакции представляют структуры, близкие по стехиометрическому составу к окислам соответствующих металлов и примесей (2-й тип структур); при трении в присутствии граничных слоев смазки – это ненасыщенные растворы кислорода и эвтектик окислов основного металла и примесей в основном металле (3-й тип структур). При образовании этих структур вследствие диффузии примесей к поверхности раздела металл-пленка вторичных структур, как правило, происходит уменьшение концентрации примесей в нижележащих слоях. При соответствующем составе жидкой и газовой среды вторичные структуры могут представлять также гетерогенные фазы металла и различных (главным образом электроотрицательных) элементов (4-й тип структур). Наиболее типичными из этих элементов являются сера, хлор, фосфор, углерод и др. Кинетика образования 4-го типа структур также может быть связана с влиянием кислорода. В одних случаях кислород является обязательным условием взаимодействия химически активных присадок с металлом, в других – оказывает незначительное влияние на кинетику протекания реакций.
Состав и кинетика образования структур 2-го, 3-го и 4-го типов зависят от химического сродства, способности к образованию твердых растворов, концентрации (скорости поступления) активных элементов среды в зону трения, а также от структурного состояния металла, определяемого параметрами исходной структуры и изменением
59