В статье рассмотрены основные критерии работоспособности деталей и узлов оборудования. Затронуты вопросы увеличения долговечности и надежности оборудования в различных условиях эксплуатации.
Ключевые слова: критерии работоспособности, долговечность, надежность, прочность, жесткость, износостойкость, вибрация, теплостойкость, коррозия металлов.
Качество любого оборудования определяется, прежде всего, работоспособностью ее деталей и узлов во всем диапазоне технологических режимов и условий эксплуатации. Работоспособность деталей характеризуется критериями, важнейшими из которых являются прочность, жёсткость, износостойкость, вибростойкость, теплостойкость, коррозионная стойкость.
Прочность — это способность деталей сопротивляться разрушению или появлению недопустимых остаточных деформаций. Прочность является одним из основных критериев работоспособности для всех машин и механизмов. При проектировании машин важно правильно определить величину и характер изменения нагрузок и напряжений, действующих в деталях в условиях эксплуатации. Нагрузки и напряжения могут быть постоянными, как например, весовые нагрузки, и переменными, как например, нагрузки при ударе молота. В работающих машинах преобладают переменные нестационарные нагрузки и напряжения, имеющие часто очень сложный характер изменения во времени. Их расчет сложен и не всегда точен. Деталь считается прочной, если истинные напряжения в ее опасных сечениях меньше предельных. Потери статической прочности деталей из пластичных материалов наступают в момент возникновения в них предельных напряжений, равных пределу текучести, а в деталях из хрупких материалов, пределу прочности. Экспериментами установлено, что разрушение деталей начинается в зонах наибольшей концентрации напряжений. Ими являются переходные сечения, отверстия, шпоночные и шлицевые пазы. Даже небольшие риски, царапины на деталях приводят к концентрации напряжений. Концентраторами напряжений являются и внутренние дефекты в материале деталей. С увеличением размеров сечения детали, количество дефектов растет, и прочность детали уменьшается. Большая часть встречающихся разрушений деталей вызвана усталостью материала при переменных циклических напряжениях. Изучение усталостных изломов деталей позволяет судить о характере усилий и напряжений, вызывающих их разрушение и найти способ повышения усталостной прочности. Поверхности усталостных изломов имеют ряд характерных признаков. На них четко видны начало и зона развития трещины. Каждая зона имеет характерную зернистость металла. Усталостное разрушение обычно начинается с поверхности материала, в местах концентрации напряжений. Развитие трещины протекает медленно, иногда дни и месяцы, а окончательное разрушение металла — долом, происходит почти мгновенно. Усталостная прочность материалов и деталей исследуется на специальных стендах. Данные испытаний образцов и деталей наносятся на график, каждому значению напряжения соответствует определенное число циклов, при котором образец разрушается. При некоторой величине напряжения образец выдерживает практически неограниченное число циклов нагружения. Эта величина напряжения является пределом выносливости. По усреднённым статистическим данным строят кривую усталости. Обычно она соответствует вероятности разрушения образца равной 50 %. Повышение предела выносливости деталей достигается повышением чистоты обработки их поверхности, уменьшением числа и глубины царапин, рисок и других дефектов, являющихся концентраторами напряжений. Прочность деталей увеличивается при обработке поверхностного слоя токами высокой частоты, азотированием, цементацией, цианированием, пластической деформацией поверхности деталей. Пластические деформации, кроме улучшения структуры материалов создают в поверхностных слоях остаточные напряжения сжатия, которые препятствуют развитию усталостных трещин и повышают выносливость деталей.
Жесткость — это способность деталей сопротивляться изменению их формы под действием нагрузок. Для деталей с большим отношением длины к сечению расчеты на жесткость должны обеспечить исключение потери их продольной устойчивости под нагрузкой.
Износостойкость — это способность деталей сопротивляться истиранию их поверхностей, изменению размеров их формы. Износ деталей оборудования при трении их рабочих поверхностей носит чрезвычайно сложный характер. Поверхности даже самого высокого класса качества обработки всегда имеют микроскопические выступы и впадины. При механическом воздействии в случае граничного трения выступы изнашиваются. Этот процесс наиболее интенсивно протекает в период приработки узлов. Сколовшиеся крупинки металла и абразивные частицы пыли попав в зазор трущихся деталей, вызывают механический, преимущественно абразивный износ. Во многих случаях металл трущихся поверхностей окисляется. Продукты коррозии, превращаясь в абразивные частицы, ускоряют процесс изнашивания деталей. Эффективным средством снижения такого износа является изоляция трущихся деталей от вредного действия пыли и агрессивной среды. Высокое давление в контакте деталей может привести к выдавливанию смазки и молекулярному взаимодействию трущихся поверхностей. При этом возникает схватывание поверхностей, которое сопровождается локальным нагревом, вырывами и намазыванием частиц одного металла на другой. Увеличение долговечности узлов трения достигается подбором материалов сопрягаемых поверхностей, обеспечивающих снижение сил трения. Эффективным средством снижения износа трущихся деталей является жидкостное трение, которое создаётся принудительной подачей масла под давлением в зазор трущихся поверхностей. Или благодаря масляному клину, который образуется при определённых зазорах, скоростях и вязкости масла. Важными факторами снижения интенсивности износа трущихся деталей являются применение износостойких материалов, тщательная механическая и термохимическая обработка, замена трения скольжением, трением качения, наплавка на истираемые поверхности высокопрочных и износостойких сплавов, иногда футеровка деталей резиной.
В некоторых узлах оборудования в процессе работы возникают вибрации, которые не только нарушают технологический режим, но и приводят к ускоренному разрушению деталей. Высокие вибрации и шум оказывают вредное воздействие и на оператора машин. Расчет на виброустойчивость конструкций сводится к выбору таких ее динамических параметров, которые исключали бы появление опасных колебаний, например опасных резонансных поперечных колебаний. Уменьшение вибрации достигается изменением жесткости и массы системы, частоты вращения, тщательной балансировкой быстровращающихся деталей. В тех случаях, когда вибрация рабочих органов является технологическим параметром, для защиты машины и оператора необходимо применение амортизаторов и виброгасителей.
При проектировании деталей оборудования, работающих при высоких температурах необходимо учитывать изменение механических свойств материалов и тепловые деформации, вследствие которых происходят изменения зазоров сопряжения, изменяется характер взаимодействия деталей, и нарушаются условия их смазки. Задача расчета — подбор теплостойких материалов деталей и смазок, выбор способа ограничения температуры нагрева деталей и уменьшения их тепловых деформаций. Промышленность в северных районах ставит задачу создания машин, успешно работающих в условиях пониженных температур. Прежде всего, необходимо учитывать, что ударная вязкость металлов при низких температурах может снижаться во много раз. Надежность машин в условиях севера обеспечивается применением легированных сталей с высокой ударной вязкостью при низких температурах, морозостойких резиновых уплотнений, специальных смазочных материалов и масел для гидросистем, а также специальных видов сварки деталей.
Коррозия металлов приносит ежегодные убытки, исчисляющиеся миллиардами рублей. Кроме потери металла, коррозия уменьшает усталостную прочность деталей, что приводит к их поломкам. Существует множество методов защиты от коррозии металла — металлические покрытия, электрохимическая защита, неметаллические защитные материалы, защитная окраска, легирование, ингибиторы. Для защиты от атмосферной коррозии применяются различные гальванические, пленочные и лакокрасочные покрытия. Детали машин, работающие в агрессивных средах, выполняются из нержавеющих сплавов, различных пластмасс и композитных материалов. Важное значение при защите от коррозии имеет соблюдение технологии консервации готовых деталей и их хранение.
Технический прогресс, увеличение масштабов производства сложной и мощной техники требует от их создателей обеспечения работоспособности деталей по всем критериям, что является залогом долговечности и надежности машин и оборудования.
Литература:
- Детали машин. Учеб. для вузов. — 4-е изд. / Д. Н. Решетов. — М.: Машиностроение, 1989. 496 с.
- Материаловедение в машиностроении и промышленных технологиях. / В. Струк, Л. Пинчук, Н. Мышкин, В. Гольдаде, П. Витязь. — Издательство: Интеллект. 2010. 536 стр.
- Материаловедение и технология металлов. / Ф. Гарифуллин, Г. Фетисов. — Издательство: Оникс. 2009. 624 с.
- Коррозия и защита от коррозии. / Семенова И. В., Флорианович Г. М., Хорошилов А. В. — Издательство: М.: Физматлит. 2002. 335 с.
- Теория механизмов и машин. Учебное пособие. / Заблонский К. И., Белоконев И. М., Щёкин Б. М. — Издательство: Киев, Высшая школа. 1989. 185 с.
