Основы теории надежности и диагностика

Механическое изнашивание включает следующие группы изнашивания: абразивное; вследствие пластических деформаций; вследствие хрупкого разрушения; вследствие усталостного изнашивания.

Абразивное  изнашивание возникает в результате режущего или царапающего действия твердых частиц, находящихся между поверхностями трения. Эти частицы, попавшие извне или отделившиеся от трущихся деталей, попадая в смазку между трущимися поверхностями, резко увеличивают их износ. Примером абразивного изнашивания может служить открытое сопряжение, в которое проникает пыль и грязь (шкворни, соединения рулевых тяг), или цилиндропоршневая группа двигателя в результате попадания в цилиндры с воздухом пыли (абразива), продуктов износа и коррозии.

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

Изнашивание при хрупком разрушении 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 менее хрупкий 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.

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

Молекулярно-механическое (адгезионное) изнашивание происходит в результате молекулярного сцепления материалов трущихся деталей.

Трущиеся  поверхности сопряженных деталей  вследствие их неровностей (следы обработки) при наличии выступающих частиц 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 частиц металла. В следующее мгновение происходит разрушение этих связей или отрыв схватившихся частиц друг от друга. При этом на одной поверхности образуется углубление, на другой — выступ, т. е. происходит перенос металла с одной детали на другую.

Молекулярно-механическое изнашивание может наблюдаться  в процессе приработки механизмов.

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 окислов, которые в результате механического трения снимаются, а обнаженные поверхности металла трущейся пары опять окисляются.

Коррозионно-механическое изнашивание наблюдается в цилиндро-поршневой  группе двигателя за счет таких агентов  коррозии, как серная, сернистая и органические кислоты.

Кроме указанных видов изнашивания, некоторые детали автомобиля (например, мокрые гильзы с наружной стороны, лопасти водяного насоса) подвергаются кавитационному разрушению. Это разрушение происходит в потоке жидкости из-за многократных ударов при захлопывании пузырьков.

Жиклеры карбюратора, клапаны двигателя и некоторые  другие детали подвергаются эрозии, которая состоит в отделении частиц с поверхностей тела под действием движущейся относительно тела жидкости или газа.

5.3. Методы количественной оценки  износа деталей автомобиля

В ряде случаев  при решении практических задач  или при выполнении научного исследования возникает необходимость количественной оценки износа деталей автомобиля.

Различают абсолютный (т.е. уменьшение веса или размеров детали в процессе ее работы или испытания на изнашивание) и линейный (определяемый изменением размера по нормали к поверхности трения) износ.

Скорость изнашивания - это отношение абсолютного износа ко времени, в течение которого происходило изнашивание. Скорость изнашивания может оцениваться в: мк/ч; мг/ч; мм³/ч.

Интенсивность изнашивания - это отношение абсолютного износа к пути скольжения трущихся пар (оценивается в мк/м пути скольжения).

Темп изнашивания - это отношение абсолютного износа детали к единице работы машины, на которой установлена деталь (оценивается в мк/км пробега, мк/т-км выполненной работы и т. д.).

Свойство  материала, из которого изготовлена  деталь, оказывать сопротивление изнашиванию, называют износостойкостью. Сравнивать износостойкость различных материалов имеет смысл только при учете условий, при которых происходило изнашивание.

Существуют  следующие основные методы количественной оценки износа деталей автомобиля:

1) микрометраж  деталей;

2) взвешивание  деталей;

3) профилографирование  поверхности детали;

4)  метод искусственных баз, который включает метод измерения отпечатков и метод измерения вырезанных лунок;

5) определение  продуктов износа в масле (калориметрическим,  полярографическим способом или методом спектрального анализа);

6) метод радиоактивных  изотопов (меченых атомов). Микрометраж деталей широко применяется при изучении износа

деталей при  лабораторных, дорожно-лабораторных и  эксплуатационных испытаниях.

Износ детали при этом методе определяется разностью  первоначального размера детали и ее размера после установленного пробега автомобиля (или числа часов работы). Каждая деталь обмеряется в нескольких сечениях (поясах) зоны износа. Обмер ведется в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. За основную плоскость принимается плоскость симметрии детали или плоскость максимального износа. Данные обмера записываются в таблицы, называемые картами микрометража.

Первоначальный  размер детали может быть установлен путем первичного микрометража детали до начала испытаний, по чертежам (с учетом среднего допуска на изготовление) или измерением детали в не износившихся местах. Первичный микрометраж может производиться на заводе перед сборкой автомобиля.

Все измерительные  инструменты выбираются с необходимым  классом точности; их проверяют, регулируют и тарируют до и после обмера деталей. Для исключения ошибок в определении износа деталей замеры производят с большой тщательностью. Действительный размер детали принимают как среднее значение нескольких измерений, произведенных в данной плоскости. Детали, подлежащие микрометражу, должны быть тщательно промыты и насухо вытерты. Микрометраж производится в помещении с температурой воздуха 18 - 20° С. Для выравнивания температур перед началом измерений обмеряемые детали и инструмент необходимо выдержать в помещении 2-3 часа.

Когда нет возможности поддерживать требуемую температуру воздуха, при измерении деталей надо вводить температурную поправку:

Δl = l (α₁ – α₂)∙(t - 20), (73)

где l - номинальный размер, мм; α₁ – коэффициент линейного расширения материала измеряемой детали; α₂ - коэффициент линейного расширения материала мерительного инструмента; t - температура при измерении, °С.

Желательно, чтобы начальный и конечный микрометраж  деталей производил один и тот же человек одним и тем же инструментом. Метод микро-метража дает возможность определить местный износ детали и выявить зону максимального износа. Недостатком микрометража является необходимость в разборке узлов и механизмов машины, а также то обстоятельство, что он не дает возможности установить динамику изнашивания сопряженных деталей. Необходимо также иметь в виду, что при этом методе в величину износа детали включается и изменение ее размера вследствие деформации.

Метод определения износа путем  взвешивания деталей применяется обычно как вспомогательный к микрометражу в тех случаях, когда обмер деталей не всегда возможен или очень трудоемок. Этот метод может также применяться при лабораторном изучении изнашивания деталей.

Метод взвешивания  дает возможность определить интегральный износ деталей за период испытания независимо от характера его распределения на поверхности.

Для взвешивания  деталей до начала и после испытаний  обычно применяются аналитические весы. Перед взвешиванием деталь тщательно очищают и высушивают. До и после испытаний весы проверяют и тарируют.

Сущность метода профилографирования состоит в снятии профило-граммы поверхности до и после износа.

Базой для  определения линейного износа служит специально нанесенная царапина, глубина  которой должна быть больше износа поверхности за испытуемый период. Совмещая с помощью царапины профилограммы поверхностей до и после износа, определяют линейный износ детали δ.

К недостаткам  этого метода относятся трудности, связанные со снятием профилограммы  до и после испытания с одного и того же участка и с совмещением их в начальное положение ввиду выкрошивания и наплывов металла, образующихся на краях царапины.

Метод измерения отпечатков состоит в том, что на испытуемой поверхности детали делают отпечаток алмазной пирамидой. Геометрическая форма пирамиды такова, что отношение диагонали пирамиды к ее высоте равно 7. По уменьшению размера отпечатка при износе можно судить об уменьшении его глубины, т. е. об износе. Абсолютную величину износа получают как разницу в размере диагоналей до и после износа, деленную на 7. Диагональ отпечатка измеряется окуляр-микроскопом (рис. 9).

Недостатком этого метода является то, что у  краев отпечатка образуется местное выпучивание поверхности, а в материалах с высоким пределом текучести после удаления призмы происходит некоторое искажение формы отпечатка.

Метод вырезанных лунок является усовершенствованным методом отпечатков. При этом методе на поверхности исследуемой детали вращающимся резцом, имеющим форму трехгранной пирамиды, вырезается продолговатая лунка длиной до 2 мм и глубиной 50 - 75 мкм (рис. 10). По мере изнашивания поверхности уменьшается длина лунки и глубина. Абсолютный износ поверхности определяют по формуле

Δh = 0,125∙[(l₁²-l₂²)/r],    (74)

где l₁ -l₂ - длина лунки до и после изнашивания, мм; r - радиус вращения вершины резца, мм.

Если лунка располагается своей длиной вдоль окружности цилиндра, имеющего радиус R, то износ определяют по формуле

Δh = 0,125∙(l₁²-l₂²)∙(1/r ± 1/R),     (75)

Знак «+» в скобках  берется, когда лунка вырезана на выпуклой поверхности, знак «-»- когда лунка на вогнутой поверхности.

         Рис. 9. Определение износа        Рис. 10. Определение износа методом

                        методом отпечатков                       вырезанных лунок

Всем перечисленным  выше методам количественной оценки износа деталей автомобиля присущи те же недостатки, что и методу микрометража: необходимость разборки автомобиля и агрегатов, а также невозможность проследить за динамикой изнашивания деталей.

Метод определения продуктов износа в масле широко применяется для выбора сортов автотракторных масел, разработки рациональных режимов обкатки машин, а также для определения предельного износа агрегатов.

Как известно, при работе двигателя или другого  агрегата продукты изнашивания деталей (главным образом железо) находятся во взвешенном состоянии в масле. При увеличении темпа изнашивания концентрация железа в масле возрастает и наоборот. Зная количество масла, циркулирующего в системе смазки, и содержание железа в единице объема масла, подсчитывают вес изношенного металла деталей и строят «линии» износа, которые позволяют оценивать «интегральный» темп изнашивания агрегата.

Определение содержания железа в масле производится весовым, объемным, калориметрическим или полярографическим способом.

Полярографический способ обладает весьма большой чувствительностью и позволяет определять концентрацию железа в масле с точностью до 0,00001 г металла на 1 г масла. Для анализа проб масла этим способом требуется меньше времени, чем при других способах.

В последнее  время этот метод усовершенствован, что позволяет раздельно оценивать износ деталей, изготовленных из черных и цветных металлов.

Дальнейшее  совершенствование этого метода привело к созданию метода спектрального анализа. С помощью спектрального анализа (на спектрографах типа ИСП-22, ИСП-28 или ИСП-30) определяют содержание продуктов изнашивания в отработавшем масле.

Существуют  прямые и косвенные методы спектрального  анализа масел и отложений. При  прямых методах производится непосредственный анализ масла или отложений; при  косвенных - производится озоление пробы масла с последующим анализом золы.

По способу  регистрации спектра различают  фотографические и фотоэлектрические методы анализа. Методы спектрального анализа обладают высокой чувствительностью и позволяют определять раздельно износ цилиндров, поршней, вкладышей и других деталей в зависимости от их химического состава.