Классификация видов изнашивания

ТЕМА -3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ.

Причины изменения технического состояния

Работоспособность автомобиля зависит от его технического состояния. Оно определяется совокупностью параметров и технических характеристик систем, агрегатов, приборов, механизмов, узлов и деталей. Уровень этих параметров закладывается при проектировании, обеспечивается в процессе производства и поддерживается в процессе эксплуатации автомобилей.

Под техническим состоянием понимают совокупность отклонений текущих значений параметров от номинальных.

В процессе эксплуатации автомобилей техническое состояние автомобилей изменяется. Соответственно возрастают удельные затраты на запасные части, ТО и ремонт (рис. 3.1).

Причины изменения технического состояния объекта в основном обусловлены изнашиванием, старением и коррозией деталей в процессе эксплуатации автомобилей.

Изнашивание обусловлено трением, т.е. сопротивлением, возникающим при относительном перемещении сопряженных деталей.

На рис. 3.2 представлена классификация видов трения. Различают сухое, жидкостное, граничное полусухое и полужидкостное трение.

Сухим называется трение, при котором трущиеся поверхности непосредственно соприкасаются и взаимодействуют между собой, а смазочный материал между ними отсутствует. При сухом трении металлов сила трения возникает вследствие сопротивления соприкасающихся микронеровностей сопряженных деталей и происходящего при этом молекулярного сцепления материалов, из которых они изготовлены. Молекулярное сцепление происходит в контактах неровностей благодаря высокому удельному давлению. Примером сухого трения может служить трение между тормозными накладками и барабанами колес автомобиля.

Жидкостным называется трение, при котором толщина масляного слоя между трущимися поверхностями превышает их микронеровности. В этом случае сила трения создается за счет внутреннего сопротивления масла, находящегося между сопряженными деталями. Жидкостное трение наблюдается в таких узлах автомобиля, как подшипники коленчатого вала в период установившегося режима работы.

Граничным называется трение, при котором трущиеся детали разделены лишь теми слоями молекул масла, которые адсорбированы на поверхностях этих деталей из-за полярной активности и сил межмолекулярного притяжения.

Примером граничного трения может служить трение в зацеплении шестерен главной передачи заднего моста и шариковых подшипниках, работающих в условиях высоких удельных нагрузок.

Существуют также промежуточные виды трения: полусухое (среднее между сухим и граничным) и полужидкостное (среднее между жидкостным и граничным).

Сила трения зависит от материала и качества обработки трущихся деталей, наличия и качества смазочного материала, характера сопряжения, нагрузочного скоростного и теплового режимов работы.

Классификация видов изнашивания

Изнашиванием называется процесс постепенного изменения размеров, формы и массы сопряженных деталей при их взаимодействии. Следствием этого, как правило, является нарушение сопряжений, кинематических связей и работы всего объекта в целом. Различают несколько видов изнашивания (рис. 3.3).

Механическое изнашивание включает в себя изнашивание: 1) абразивное, 2) вследствие пластических деформаций,3) вследствие хрупкого разрушения и 4) усталостное.

Абразивное изнашивание возникает в результате режущего или царапающего воздействия.

Молекулярно-механическое (адгезионное) изнашивание происходит в результате молекулярного сцепления материалов трущихся деталей, например в процессе приработки механизмов.

Трущиеся поверхности сопряженных деталей вследствие их неровностей могут иметь местные контакты. В местах контакта, через которые передается значительная нагрузка, возможны разрывы масляной пленки, а при больших относительных скоростях перемещения поверхностей деталей — сильный нагрев, приводящий к испарению масляной пленки и схватыванию. В следующее мгновение происходит отрыв друг от друга схватившихся частиц. При этом на одной поверхности образуется углубление, на другой — выступ, т. е. происходит перенос металла с одной детали на другую.

Коррозионно-механическое изнашивание сопровождается явлениями химического взаимодействия среды (кислорода воздуха, газов) с материалом трущихся деталей. Под действием агрессивной окислительной среды на поверхности трущихся деталей образуются пленки оксидов, которые в результате механического трения снимаются, а обнаженные поверхности металла трущейся пары опять окисляются.

Коррозионно-механическое изнашивание наблюдается в цилиндро-поршневой группе двигателя в результате действия твердых частиц, находящихся между поверхностями трения.

Эти частицы, попавшие извне или отделившиеся от трущихся деталей, попадая в смазочный материал между трущимися поверхностями, резко увеличивают их износ. Примером абразивного изнашивания может служить открытое сопряжение, в которое проникает пыль и грязь (шкворни, шарниры рулевых тяг), или цилиндро-поршневая группа двигателя в результате попадания в цилиндры пыли с воздухом.

На износ некоторых деталей, особенно выполненных из одинаковых материалов, большое влияние оказывает явление местного соединения в местах контакта — схватывание при трении. При этом происходит перенос материала с одной детали на поверхность другой. Процесс развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала называется заеданием.

Изнашивание при заедании определяется свойствами материалов трущихся деталей и зависит от скорости скольжения поверхностей, н также от температуры. Заедание может завершаться прекращением относительного движения деталей и вызывать их задир — повреждение поверхностей трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения. При аварийных отказах систем охлаждения и смазки автомобильных двигателей могут происходить заедание и, как следствие, задиры гильз цилиндров и поршней.

Абразивное изнашивание подразделяется на гидроабразивное и ипоабразивное.

Изнашивание вследствие пластических деформаций происходит под действием значительных циклических нагрузок на детали и сопровождается изменением их размеров без потери веса. Например. и подшипниках скольжения может наблюдаться перемещение жидкостных слоев пластичного антифрикционного материала в направлении скольжения.

Усталостное изнашивание обусловливается многократно повторяющимся достаточно высоким напряжением, вызывающим микротрещены и выкрашивание поверхностей трения. Этот вид изнашивания наблюдается на рабочих поверхностях зубьев редукторов.

Изнашивание при хрупком разрушении (наклепе) состоит в том, что поверхностный слой металла одной из сопряженных деталей в результате трения и наклепа становится хрупким. Затем он разрушается, обнажая лежащий под ним материал, после чего этот процесс повторяется.

Примером этого вида изнашивания может служить явление наклепа с последующим отслоением металла на посадочных поверхностях клапанов, беговых дорожках подшипников и других механизмов, подверженных ударным нагрузкам.

Трение потоков жидкостей и газов о поверхности деталей вызывает их эрозионное и кавитационное изнашивание. Эрозионное изнашивание является механическим видом изнашивания в результате воздействия на поверхность детали потока жидкости (гидроэрозионное изнашивание) или газа (газоэрозионное изнашивание). Эти виды изнашивания представляют собой процесс вымывания и вырыва отдельных микрообъемов материала деталей. Топливная аппаратура дизелей, жиклеры карбюратора, клапаны газораспределения двигателей подвержены эрозионному изнашиванию.

Кавитация представляет собой образование, а затем поглощение парогазовых пузырьков в движущейся по поверхности детали жидкости при определенных соотношениях давлений и температур в переменных сечениях потока. Разрушение кавитационных пузырьков сопровождается гидравлическими ударами по поверхности детали и образованием каверн, полостей. Иногда кавитационное изнашивание наблюдается на наружных поверхностях гильз цилиндров двигателя, на лопастях водяных насосов.

Особое место в изнашивании деталей автомобилей занимает процесс старения. В процессе эксплуатации автомобиля, как правило, деревянные детали растрескиваются и подвергаются гниению, стеклянные — тускнеют, лакокрасочное покрытие выцветает; растрескивается и теряет блеск; резиновые детали теряют эластичность.

Старение деталей ускоряют высокие и низкие температуры воздуха, их перепад, солнечные лучи и повышенная влажность.

Коррозия металлических деталей автомобиля является одной из причин ухудшения его технического состояния и снижения эксплуатационных свойств. Коррозией называется разрушение металлов, вызываемое электрохимическим или химическим воздействием внешней среды. Классификация видов коррозии приведена на рис. 3.4.

Электрохимическая коррозия возникает под действием микро­гальванических элементов, образующихся в присутствии электролита на стыках и на поверхности металлов вследствие их неоднородности.

Электролитом, необходимым для протекания электрохимического процесса, служит вода с растворенными в ней солями или кислотами. Участки металла с различными электродными потенциалами и электролит образуют микроскопические гальванопары.

Электрохимическая коррозия делится на атмосферную (влажную) и коррозию, протекающую в жидкой фазе.

Атмосферная коррозия происходит в присутствии атмосферной влаги, осаждающейся на поверхностях металла, и кислорода воздуха. Примерами деталей автомобиля, подверженных воздействию атмосферной коррозии, являются днище кузова, внутренние поверхности крыльев и все неокрашенные металлические детали.

Коррозия в жидкой фазе (электролите) протекает под поверхностью электролита без присутствия кислорода воздуха. Примером этого может служить коррозия внутренних стенок системы охлаждения двигателя.

Химическая коррозия обусловливается химическими реакциями без возникновения электрического тока. Если химическая коррозия протекает в условиях воздействия на металл сухих газов, то она называется газовой коррозией. Примером газовой коррозии может служить окисление поверхности камеры сгорания, зеркала цилиндра двигателя и внутренних поверхностей выпускных клапанов.

В тех случаях когда химическая коррозия протекает в условиях жидкого коррозионно-активного вещества — неэлектролита, она называется коррозией в жидкой фазе. Примером химической коррозии в жидкой фазе является коррозия металлов, находящихся в среде нефтепродуктов (например, внутренние стенки топливного бака и др.). Коррозия в этих случаях происходит под воздействием на металлы пушистых соединений, смол и органических кислот, находящихся в нефтепродуктах.

При недостаточно высокой температуре стенок цилиндров создаются условия для возникновения в процессе сгорания высокоактивных органических оксидов, которые, конденсируясь на поверхностях трения, вызывают коррозию. Наиболее активными агентами коррозии являются оксиды серы.

Следует также иметь в виду, что воздействие коррозионно-активного конденсата на стенки цилиндров двигателя продолжается и после его остановки.

Но особенно сильно сказывается на долговечности двигателя при длительных перерывах в его использовании.

Внешними признаками коррозии служит появление на черных металлах налета оранжево-бурого цвета, на алюминии — белого или серого порошкообразного налета, на медных сплавах пятен зеленого или черного цвета.

Увеличить срок службы объекта за счет повышения износостойкости его деталей можно разными способами. Это повышение качества материала деталей, улучшение технологии их изготовления, в том числе нанесение специальных покрытий на трущиеся поверхности или изменение их свойств, повышающих износостойкость. В связи с этим весьма перспективными являются разрабатываемые технологии, позволяющие кардинально изменять свойства материала деталей.

Рассмотрим два способа повышения износостойкости деталей: получение скользких резин и покрытие поверхности элементов деталей алмазной пленкой.

Скользкие резины. Наименее надежными деталями автомобиля являются резинотехнические изделия. Как правило, выполняя функцию уплотнителя в узлах и механизмах автомобиля, они при скольжении по металлу оказывают в 10 — 20 раз больше сопротивление перемещению, чем металл по металлу.

Открытие, сделанное учеными Всесоюзного научно-исследовательского института оптико-физических измерений Госстандарта СССР в 1972 г., позволило изменять фрикционные свойства резин, превращая их в фрикционные эластомеры или скользкие резины. Для изменения свойств резины используют специальную установку, схема которой приведена на рис. 3.5.

В закрытом корпусе установки находится резинотехническое изделие, например сальник, одна поверхность которого закреплена неподвижно, а вторая — контактирует с валом. После создания разрежения вал начинает вращаться.

Рис. 3.5. Схема установки по изменению свойств резины: 1 — корпус; 2 — рентгеновская трубка; 3 — металлический вал крепления наружной части сальника; 4 — корпус; 5 — сальник; 6 — прижимная пружина; 7 — вакуумный насос

Повышение износостойкости поверхности сальника, контактирующей с валом, обеспечивается за счет облучения рентгеновскими лучами. При этом происходит освобождение очень тонкого поверхностного слоя резины от примесей и перестройка его молекулярной структуры.

Обработанная поверхность становится гладкой, сила трения уменьшаемся в несколько раз, и собственно настолько же уменьшается износ. Резко уменьшается и способность резины прилипать к другому телу (адгезия).

Обработка указанным методом поверхности деталей из металла уменьшает трение в 1,5 — 2 раза.

Алмазные пленки. Одной из технологий повышения износостойкости деталей машин и увеличения их долговечности является нанесение алмазной пленки на трущиеся поверхности. В 1980-х гг. советские и японские ученые разработали способ нанесения на различные изделия тонких пленок из необычного материала — синтетического алмаза, которые радикально повышают износостойкость деталей.

Создано несколько процессов нанесения алмазных покрытий. В большинстве из них используются метан и водород.

Принципиальная схема установки по изменению свойств резины представлена на рис. 3.6.

В корпусе, который изготовлен из кварцевого стекла, располагается подставка под обрабатываемый объект, рядом с которым располагается СВЧ-генератор (генератор сверхвысоких электромагнитных частот). В верхнюю часть кварцевой трубки насосом подают метан и водород. При включении СВЧ-генератора под воздействием сверхвысокочастотного разряда происходит диссоциация молекул газа и образование электрически заряженной плазмы. Последняя приходит в контакт с покрываемым объектом. Постепенно конден­сирующиеся атомы соединяются в кристаллическую структуру. Толщина алмазной пленки может составлять от одного до нескольких микрометров.

Использование пленок для покрытия изнашиваемых деталей автомобилей, «критических по надежности», могло бы дать большой экономический эффект за счет увеличения долговечности узлов и механизмов.