Наиболее существенным фактором, влияющим на отказы деталей и узлов машины, являются силовые нагрузки, которые вызывают необратимые изменения структуры и физико-механических характеристик материалов.
Большое число отказов в машинах связано с механическим разрушением деталей и конструкций. Как правило, имеют место два типа отказов по критерию прочности: во-первых, внезапные отказы, вызванные мгновенным разрушением детали (действующие в детали или элементе конструкции напряжения превышают допускаемые напряжения, обусловленные пределом прочности или текучести материала детали); во-вторых, постепенные отказы, связанные с накоплением повреждений при многократно повторяющихся нагрузках, значения которых значительно ниже упомянутых выше статических нагрузок.
Разрушение деталей и конструкций строительных, дорожных, подъемно-транспортных машин происходит, в основном, по механизму постепенного накопления повреждений при переменных внешних нагрузках, изменяющихся по величине и частоте воздействий. Значительно реже происходят разрушения деталей, конструкций и узлов машины, вызванные внезапными статическими нагрузками (обычно это аварийные ситуации, например, наезд машины на непреодолимое препятствие и др.).
Переменные нагрузки при установившихся режимах нагружения могут вызывать в деталях и конструкциях циклические изменения напряжений различного характера. Различают симметричный, пульсирующий, асимметричный и сложный циклы напряжений. У симметричного цикла наибольшее σmax и наименьшее σmin напряжения противоположны по знаку и одинаковы по величине. У пульсирующего (отнулевого) напряжения меняются от нуля до σmax Асимметричный цикл имеет неодинаковые по величине σmax и σmin, которые могут быть знакопеременными и знакопостоянными. И, наконец, сложный цикл сочетает особенности перечисленных циклов.
|
|
Кроме σmax и σmin, к характеристикам напряжений относятся:
амплитуда цикла 
;
среднее напряжение 
;
коэффициент асимметрии цикла 
.
В результате малозаметного, но весьма ощутимого воздействия на материалы циклических нагрузок со временем в деталях происходят необратимые явления, связанные с накоплением повреждений. Процесс их накопления под воздействием переменных напряжений (нагрузок) называют усталостью. Если эти напряжения периодически превышают допускаемые напряжения, называемые пределом выносливости, в материале постепенно накапливаются микротрещины, которые, развиваясь, вызывают появление трещин недопустимых размеров либо полное разрушение детали или конструкции.
Способность материала выдерживать переменные нагрузки, называют усталостной прочностью, которая существенно ниже статической прочности материалов.
Количественно усталостный процесс описывают зависимостью, связывающей максимальное напряжение σ в материале детали при ее нагружении с числом циклов нагружения N (кривая Веллера). В качестве характеристики усталостной прочности принимают предел выносливости σ–1, представляющий собой максимальное напряжение, которое может выдержать деталь без разрушения при длительной эксплуатации. Для большинства конструкционных материалов кривая усталости в полулогарифмических координатах имеет вид прямой с изломом (рисунок 5.7).
|
|
Число N 0 (точка перелома кривой) называют базовым числом циклов (N 0 = 107). Если величина действующего напряжения σ i не превышает предела выносливости (σ–1), то она не оказывает разрушающего воздействия на деталь и не вызывает ее отказа. Наклонная (левая) часть кривой усталости аппроксимируется степенной зависимостью 
. Эта зависимость позволяет определить разрушающее число циклов Ni (т. е. ограниченную долговечность) при напряжениях в детали σ i, которые превышают предел выносливости детали. Показатель степени m зависит от свойств материала, формы и размера детали, условий нагружения и других факторов. Соответственно из-за этого его величина меняется в довольно широких пределах (m = 3–20).
На рисунке 5.7 видно, что при увеличении напряжений с σ2 до σ1 ресурс детали уменьшается с N 2 до N 1 циклов. Число циклов, которое выдерживает деталь без разрушения (в данном случае N 1 и N 2) при определенном напряжении (соответственно при σ1 и σ2), называют усталостной долговечностью.
Приведенные выше кривые усталости характерны для так называемых многоцикловых усталостных разрушений, область которых охватывает диапазон от 105 до 107и более циклов. Кроме того, имеется и малоцикловая усталость, которая возникает при числе циклов нагружения в диапазоне 102–105 циклов. Возникновение малоцикловых разрушений происходит из-за того, что в локальных зонах детали вследствие наличия концентраторов напряжения появляются напряжения, близкие к пределу текучести материала.
К основным факторам, определяющим выносливость детали или конструкции, относятся: 1) конструктивные (наличие и количество концентраторов напряжений, масштабный фактор, форма поперечного сечения и др.); 2) технологические (структура металла, наличие объемных и поверхностных дефектов, шероховатость поверхности, поверхностное упрочнение); 3) эксплуатационные (режим и вид нагружения, характер нагрузки и др.).
|
|
Конструктивные особенности деталей вносят значительный вклад в обеспечение их выносливости. С увеличением размеров детали ее выносливость ощутимо снижается. Вместе с тем масштабный фактор не оказывает влияния на угол наклона кривых усталости и положение их точки излома. Поэтому для определения пределов выносливости крупногабаритных деталей можно использовать результаты испытаний образцов из тех же материалов, моделирующих работу и повторяющих форму изделий.
Конструктивные концентраторы напряжений (резкое изменение формы, острые углы, резкие переходы и др.) также снижают показатели выносливости. Наиболее опасными местами деталей являются впадины зубьев и резьб, галтели, шпоночные пазы и шлицы, поверхности с острыми углами. Чувствительность материала детали к концентраторам напряжений оценивают коэффициентом концентрации напряжений αк, связывающем пределы выносливости гладкого образца 
и образца с надрезом 
, 
. Для устранения влияния концентраторов напряжений изменяют форму детали за счет оптимизации конфигурации опасных сечений, по возможности устраняют острые углы и подрезы в деталях и конструкциях (например, за счет скругления впадин зубьев в зубчатых колесах), устраняют резкие переходы или изменяют конфигурацию переходных зон в деталях, сближают размеры различных зон деталей, увеличивают радиусы закруглений.
Характеристики усталостной прочности реальных конструкций существенно отличаются от результатов испытаний на усталость образцов тех же материалов. Это обусловлено в основном действием концентраторов напряжений, возникающих в различных соединениях (сварных, заклепочных, резьбовых, прессовых).
В сварных соединениях концентрация напряжений возможна в сварных швах из-за неоднородности металла (литейная структура шва, выгорание углерода и легирующих элементов) и в зонах соединения шва с основным металлом из-за структурных изменений в металле околошовной зоны, например, на границе закаленной и незакаленной областей сварных соединений. Это может вызвать значительное снижение предела выносливости сварных соединений – в 2–5 раз по сравнению с гладкими образцами из основного металла. К этому следует добавить отрицательное влияние остаточных внутренних напряжений, возникающих при сварке. В ряде случаев растягивающие остаточные напряжения в сварных соединениях могут на 50 % снизить их усталостную прочность. Кроме того, предел выносливости во многом зависит от качества выполнения сварки и значительно уменьшается из-за сварных дефектов (пор, непроваров, шлаковых включений и др.).
Существенное влияние на выносливость деталей и конструкций оказывают структурная неоднородность металла, а также наличие примесей, неметаллических включений, пор и других объемных дефектов, которые могут инициировать возникновение усталостных трещин и значительно (на порядок и более) снизить долговечность детали. Меньшее, но достаточно ощутимое влияние оказывает качество поверхности, в частности, ее шероховатость: поверхностные дефекты (царапины, задиры, риски и др.) на 30–40 % снижают выносливость детали.
Влияние режимов нагружения и характера нагрузок при эксплуатации машины на усталостную прочность ее деталей и конструкций зависит от свойств материала, особенностей конструкций деталей и других факторов. К наиболее значимым эксплуатационным факторам относятся частота нагружений и асимметрия цикла нагружений. Установлено, что в широком диапазоне частот с увеличением частоты приложения нагрузки срок службы изделия снижается, а рост величины действующих напряжений способствует возрастанию влияния частоты нагружения. Вместе с тем в наиболее распространенном интервале частот (от 10 до 100 Гц) усталостная прочность незначительно зависит от частотных характеристик нагружения детали. При этом угол наклона кривой усталости при изменении частота нагружений не меняется, что свидетельствует об отсутствии влияния этого фактора на скорость накопления повреждений.
Степень асимметрии (она характеризуется соотношением между минимальным σmin и максимальным σmax напряжениями) существенно снижает предел выносливости деталей и конструкций. Еще большее влияние на усталость оказывает наложение на основную частоту редких перегрузочных импульсов. Установлено, что нагружение импульсными перегрузками на фоне основного нагружения, описываемого синусоидой, снижает усталостную прочность деталей и конструкций в 2–3 раза. О большой чувствительности к асимметрии цикла напряжений говорят величины коэффициента ψσ = 0,1–0,3 для стальных изделий. Этот коэффициент связывает предел выносливости при симметричном σ–1 и пульсирующем (отнулевом) σ0 циклах:
.
Выносливость деталей и конструкций существенно зависит от среды, температурных режимов эксплуатации и других факторов. Если циклическим напряжениям сопутствуют коррозионные процессы, воздействие высоких температур или радиации, предел выносливости может значительно снижаться, а в ряде случаев и вовсе отсутствовать (на кривой усталости). На рисунке 5.8 представлены кривые усталости стальных образцов, которые были испытаны на воздухе, в минеральном масле и в воде. Видно, что даже масло, которое является химически инертной средой, оказывает отрицательное влияние на предел выносливости и базовое число циклов. Это явление обусловлено снижением выносливости из-за расклинивающего действия масла, адсорбированного на поверхности образцов, которое ускоряет процесс развития поверхностных микротрещин (эффект Ребиндера).
Следует отметить, что расчеты на выносливость обеспечивают высокую точность только при стационарном циклическом нагружении, когда параметры всех циклов одинаковы. При нестационарном режиме нагружения используют расчеты на усталость, основанные на гипотезе суммирования усталостных повреждений, возникающих под действием различных нагрузок. Учет их влияния производится на основе различных гипотез. Наиболее распространенной является гипотеза линейного суммирования напряжений (гипотеза Пальмгрейна–Майнера). Согласно этой гипотезе разрушение детали происходит в результате постепенного накопления в материале повреждений. Если деталь работает в переменном (ступенчатом) режиме нагружений, то на каждой i -й ступени степень повреждения детали можно приближенно оценить ее относительной долговечностью, т. е. отношением числа циклов нагружения на этой ступени ni при напряжении σ i к числу циклов нагружения N p i до разрушения (ni / N p i ). При этом число повреждений будет нарастать пропорционально относительной долговечности детали на каждой ступени и может линейно суммироваться, т. е. 
. Условие разрушения при ступенчатом изменении нагрузок можно представить в виде
,
где ni – число циклов нагружения за время эксплуатации при напряжении σ i;
N p i – число циклов нагружения до разрушения при напряжении σ i;
к – число уровней нагружения до разрушения;
ω – параметр, учитывающий особенности материала детали и условия нагружения.
В самом простом случае при ω = 1 согласно этой гипотезе, если деталь, например, при напряжении σ1 (рисунок 5.7) выработала 30 % своего ресурса (n 1 = 0,3 N 1), то при напряжении σ2 она может выработать 70 % ресурса (n 2 = 0,7 N 2), т. е.
.
Из-за своей простоты гипотеза линейного суммирования повреждений более распространена, чем гипотезы нелинейного суммирования. Многочисленные проверки показали, что она дает вполне достаточную для инженерных расчетов точность результатов при различных видах нагружений.
Описанный нестационарный режим можно привести (с рядом допущений) к некоторому эквивалентному стационарному режиму работы, при котором деталь приобретает такую же степень повреждений, что и при нестационарном процессе. Если в качестве эквивалентного принять режим с напряжением σэкв = σ–1 и долговечность N 0, то из уравнения кривой усталости получим 
. Отсюда
.
Если подставить данное равенство в условие разрушения, то получим выражение
.
Полученное соотношение можно использовать и для определения эквивалентной нагрузки, если заданы нагрузки на отдельных ступенях нестационарного режима.
Как уже отмечалось, обычно принимают w = 1, т. е. считают, что деталь разрушается, если сумма накопленных повреждений в ней достигает единицы.
Изнашиванием (износом) называют процесс постепенного изменения геометрических размеров и форм элементов машины (рабочих органов, ходового оборудования, деталей в сопряжениях) при трении, которое проявляется в отделении с поверхности трения частиц материала и в его остаточной деформации. В современных машинах отказы из-за износа достигают 80–90 % от общего числа отказов. Отказы в узлах трения могут возникать по ряду причин: во-первых, из-за износа трущихся поверхностей до предельного состояния; во-вторых, из-за резкого увеличения коэффициента трения вплоть до схватывания и заедания поверхностей трения; в–третьих, из-за недопустимого уменьшения коэффициента трения в тормозных системах и фрикционных передачах. Из них основной причиной отказов является износ трущихся поверхностей.
Как правило, изнашивание характеризуют величиной линейного износа, т. е. изменением размеров детали в направлении, перпендикулярном к поверхности трения. В ряде случаев для оценки изнашивания используют величину объемного и массового износа. К основным показателям износа относят скорость и интенсивность изнашивания. Скорость изнашивания определяют как отношение величины износа ко времени, в течение которого он возникает. Интенсивность изнашивания определяют как отношение величины износа к длине пути трения, на котором происходит изнашивание.
Свойство материала при трении оказывать сопротивление изнашиванию называют износостойкостью. Для ее оценки используют показатели, обратные скорости или интенсивности изнашивания.
Одним из важных факторов трения и изнашивания является характер взаимных перемещений, во многом определяющий динамику изнашивания. Относительное перемещение сопряженных элементов в узле трения может сопровождаться трением скольжения, трением качения и трением качения с проскальзыванием.
При трении скольжения происходит наибольший износ сопряженных деталей, что сопровождается высокой энергоемкостью процесса трения. Например, червячная пара (при однозаходном червяке), в которой реализовано трение скольжения, имеет наименьший КПД (h £ 0,75) из всех зубчатых передач. Оно характерно для кинематических пар, содержащих подшипники скольжения, манжетные уплотнители, направляющие и др. Кроме того, в машинах используют такой положительный эффект трения скольжения как возможность реализации больших сил трения при относительно малых нормальных силах (в тормозных системах, фрикционных передачах и др.).
Трение качения имеет наибольшее распространение в машинах в связи с минимальным износом и низкой энергоемкостью. Этот вид трения реализуется в парах вал – подшипник качения, колесо – рельс, ролик – лента и др.
При трении качения с проскальзыванием относительное перемещение деталей осуществляется одновременно с качением и скольжением. Этот вид трения по износу и энергетическим характеристикам занимает промежуточное положение между трением скольжения и трением качения. Трение качения с проскальзыванием осуществляется в кулачковых механизмах, в зубчатых передачах, обеспечивая в последних значительно меньшие потери на трение по сравнению с червячными передачами.
Вместе с тем вид трения не является постоянной характеристикой узла трения. Даже для правильно сконструированного и изготовленного узла в зависимости от многих эксплуатационных факторов вид трения может меняться, и, как правило, его изменение сопровождается снижением и потерей работоспособности узла. Так, при загрязнении подшипников качения трение качения переходит в трение скольжения их промежуточных тел (роликов или шариков) по поверхности одного из колец или в трение скольжения подшипника по поверхности гнезда. При движении колес по рельсам трение качения колеса по рельсу переходит в трение качения с проскальзыванием в паре обод колеса – рабочая поверхность рельса и в трение скольжения в паре реборда колеса – боковая поверхность головки рельса.
Изнашивание протекает в местах фактического контакта трущихся поверхностей, размеры которых намного меньше номинальной площади контакта, определяемой размерами сопряженных деталей. Силы, действующие в местах фактического контакта, вызывают деформации в поверхностных слоях, которые при многократном повторении приводят к усталостному разрушению поверхностных слоев. Помимо этого, на микровыступах площадок контакта может происходить микрорезание (отделение частиц материала), которое существенно интенсифицируется, если в зону трения попадают абразивные частицы.
Описанные явления часто сопровождаются физическим и химическим взаимодействием материалов трущихся деталей. Все это свидетельствует о сложности процессов изнашивания, зависящего от многих факторов, в числе которых макро- и микрорельеф поверхности, нагрузки и скорости относительного перемещения деталей, свойства материалов и состояние трущихся поверхностей, наличие смазочного материала и загрязнений, форма детали и особенности конструкции узла трения.
Многочисленные и разнообразные виды изнашивания классифицированы в ГОСТ 16429–70 и разделены на три основных группы: механическое, молекулярно-механическое и коррозионно-механическое изнашивания. На практике наиболее часто встречается механическое изнашивание, которое, в свою очередь, разделяют на усталостное, абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное и кавитационное. Следует отметить, что это разделение в известной мере условно, поскольку чаще всего встречаются комбинации различных видов изнашивания. Тем не менее, при эксплуатации строительных, дорожных, подъемно-транспортных и других машин в нормальных (не экстремальных) условиях основными видами изнашивания деталей, узлов и элементов рабочего оборудования являются абразивное и усталостное.
Абразивное изнашивание происходит в результате микрорезания или многократного деформирования металла частицами твердых материалов (гравия, щебня, песка, пыли). С увеличением нагрузки и размеров частиц величина износа возрастает, а с увеличением твердости металла снижается. Микрорезание наступает при отношении твердости материала поверхностного слоя детали (Н д) к твердости частиц абразива (Н А) – Н д/ Н А < 0,5.
Преимущественно абразивному изнашиванию подвергаются поверхности элементов рабочего оборудования машин, которые взаимодействуют с перерабатываемым материалом или разрабатываемым грунтом, а также элементы ходового оборудования. К ним относятся режущие элементы рабочих органов строительных, дорожных и других машин (ножи, зубья и отвалы бульдозеров и грейдеров, зубья, ножи и режущие кромки ковшей экскаваторов и скреперов, долота, зубила и другое сменное рабочее оборудование одноковшовых экскаваторов, лопасти шнеков и фрез распределителей дорожно-строительных материалов и асфальтоукладчиков), а также детали и элементы ходовых устройств (протекторы пневмошин, звенья и катки гусениц, обода колес на рельсах) и многое другое. Для примера порядка величины износа можно привести изнашивание рабочих органов бульдозера. При линейном износе ножей отвала 14–15мм удельное сопротивление резанию увеличивается в 1,5 раза при росте расхода мощности и снижении производительности машины. Однако отметим, что даже при большом износе рабочих органов машина продолжает оставаться в работоспособном состоянии.
Усталостное изнашивание в основном возникает при трении деталей в подвижных сопряжениях (вал – подшипник, вал – втулка и др.). Оно обусловлено знакопеременным деформированием металла деталей в зоне трения, которое приводит к накоплению повреждений в виде подповерхностных пор и перерастанию их в трещины, а затем – отслаиванию частиц металла или выкрашиванию на поверхности трения. Усталостное изнашивание характерно для узлов трения, защищенных от коррозии и попадания абразивных частиц, в частности, для элементов силовых передач и других сопряжений. При увеличении износа деталей в подвижных сопряжениях растут зазоры между ними, вызывая усиление динамических нагрузок, ухудшение условий смазывания в зоне трения, и, в конечном счете, выход из строя узла трения.
Для прогнозирования величины износа деталей в узлах трения машины важно знать характер зависимости износа от времени наработки, т. е. динамику процесса изнашивания. Все виды этих зависимостей можно описать несколькими моделями, представленными на рисунках 5.9. и 5.10.
Кривая 2 (см. рисунок 5.9) характеризует линейную зависимость величины износа от времени. Она удовлетворительно описывает абразивное изнашивание рабочих элементов машины, контактирующих с разрабатываемым грунтом (отвалов, ножей, зубьев, стенок ковшей и др.). Кривая 4 имеет период приработки и период с постоянной скоростью изнашивания, что характерно для некоторых шарнирных соединений и подшипников скольжения. Кривая 3 отличается монотонно убывающей скоростью изнашивания, что характерно для зубчатых колес и подшипников скольжения при абразивном изнашивании. Кривая 1 имеет монотонно повышающуюся скорость изнашивания и описывает износ шарнирных соединений гусеничных цепей и других деталей подобного типа, где из-за увеличивающегося зазора в сопряжение попадают все большие частицы абразива.
Для моделей изнашивания, описанных кривыми 3 и 1, можно использовать соотношение, связывающее ресурс детали с характеристиками износа,
,
где i – скорость изнашивания;
I пред – предельно допустимая величина износа.
Указанное соотношение справедливо для кривой 3 при n < 1 и для кривой 1 при n > 1.
И, наконец, наиболее общая модель изнашивания (кривая Лоренца), представленная на рисунке 5.10, включает три основных периода:
1 – период приработки (0 – t пр), для которого характерен резкий рост износа (до величины I пр) с образованием большого количества продуктов изнашивания, загрязняющих смазку, и с повышением температуры в зоне трения;
2 – период стабильной эксплуатации узла трения (t пр – t пред) с установившейся скоростью изнашивания до предельно допустимой величины износа (I пред).
3 – период критического (катастрофического) изнашивания (t > t пред), в результате которого растут зазоры в сопряжении, вызывая дополнительные динамические нагрузки и ухудшение условий смазывания трущихся поверхностей, а по достижении критической (предельной) величины износа – ударные нагрузки на детали, резкое повышение температуры, заедание и выход из строя узла трения.
Таким образом, для периода нормальной эксплуатации узла трения характерна практически постоянная скорость изнашивания поверхности сопряженных деталей. С учетом этого можно определить ресурс детали из выражения
,
где i = tgα;
α – угол наклона кривой.
Как правило, узлы трения работают с перерывами и в ступенчатом режиме, что отражается и на кривых изнашивания деталей узла, которые в, свою очередь, будут иметь ступенчатый вид. В общем случае ресурс детали узла трения, работающего в ступенчатом режиме, можно найти из зависимости
,
где ti – длительность i- го цикла (ступени);
N – число циклов работы за весь ресурс детали.
Если длительность цикла ti выразить через ее относительную долговечность fi (ti = Tfi), то ресурс детали будет равен
,
где fi – относительная долговечность i- го цикла;
– средняя скорость изнашивания детали.
Как видно из данного выражения, ресурс деталей узла трения связан с величинами предельного износа и средней скорости изнашивания.
В ряде случаев ресурс детали оценивают с помощью метода подобия, согласно которому определение срока службы рассчитываемой детали Т р базируется на известном сроке службы детали-аналога Т а. Если эти детали (рассчитываемая и аналог) эксплуатируются в одинаковых узлах машин одного типа, то срок службы рассчитываемой детали можно определить из выражения
,
где К р и К а – обобщенные коэффициенты рассчитываемой детали и аналога соответственно;
К р = К р1 К р2… К р n;
К а = К а1 К а2… К а n;
К р i и К а i (i = 1, …, n) – коэффициенты учета влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов рассчитываемой детали и аналога соответственно.
В общем случае отказы в узлах трения по причине износа определяются состоянием контактирующих поверхностей, наличием смазочного материала, нагрузкой в узле трения, скоростью взаимных перемещений трущихся деталей, а также допустимыми величинами износа. Прогнозирование надежности узлов трения осложняется тем, что упомянутые факторы (за исключением допустимых величин износа) могут изменяться в процессе работы узла трения.