Методы (способы) повышения долговечности

Долговечность машин

Методы (способы) повышения долговечности. Основные факторы, лимитирующие надежность машин, следующие: поломки деталей; износ трущихся поверхностей; повреждения поверхностей в результате действия контактных напряжений, наклепа и коррозии; пластические деформации деталей, вызываемые местным или общим переходом напряжений за предел текучести или (при повышенных температурах) ползучестью.

Прочность в большинстве случаев не является непреодолимым лимитом. В машинах общего назначения возможно полное устранение поломок. При существующем в настоящее время ассортименте машиностроительных материалов, при существующих методах изготовления, при современном состоянии науки о прочности в этом классе машин нет деталей, которым нельзя было бы придать практически неограниченную долговечность.

В случае машин напряженного класса, вроде транспортных, задача сложнее. Требования габаритных размеров и массы заставляют повышать расчетные напряжения, вследствие чего вероятность поломок увеличивается. Однако непрерывное совершенствование упрочняющей технологии и уточнение методов расчета позволяют и в данном случае значительно повысить прочность деталей, а, следовательно, и долговечность машины в целом.

Многие факторы случайности можно свести к минимуму: производственные (колебания механических характеристик материала, технологические дефекты) — тщательным контролем изделий на всех этапах изготовления; эксплуатационные (перегрузки. неправильное обращение с машиной) — чисто конструктивными мерами (введением систем защиты, предохранителей, блокировок).

В наихудшем положении находятся тепловые машины, долговечность которых зависит в первую очередь от стойкости деталей, работающих при высоких температурах.

Прочность материалов резко снижается с увеличением температуры. Кроме того, при повышенных температурах возникает явление ползучести (пластическое течение материала под действием сравнительно небольших напряжений), приводящее к изменению первоначальных размеров детали и, как следствие, к утрате ее работоспособности.

Детали, работающие при высоких температурах, рассчитывают на ограниченную долговечность. Срок их службы можно только повысить конструктивными приемами (снижением уровня напряжений, рациональным охлаждением) и главным образом применением жаропрочных материалов. В последнее время для изготовления термически напряженных деталей применяют металлокерамические (спеченные) материалы (керметы) на основе оксидов, нитридов и боридов Ti, Сг, Аl, карбидов и нитридов В и Si, со связкой из металлов Ni, Со, Мо.

Практически долговечность в наибольшей степени определяется изнашиваемостью деталей. Постепенно развивающийся износ ведет к общему ухудшению показателей машины, снижению точности выполняемых ею операций, падению КПД, увеличению энергопотребления и снижению полезной отдачи. С течением времени износ может вступить в катастрофическую стадию. Прогрессирующее повреждение вызывает поломки и аварии (разрушение подшипников качения, выкрашивание зубьев зубчатых колес и т. п.).

Основной вид износа в машинах — механический, который разделяется на износ абразивный, износ при трении скольжения, износ при трении качения и контактный. Некоторые детали подвержены износу химическому (коррозионному), тепловому, кавитационно-эрозионному. Разнообразие видов износа и различие их физико-механической природы требуют дифференцированного изучения и специальных методов предотвращения изнашиваемости.

Главными способами повышения износостойкости при механическом износе являются увеличение твердости трущихся поверхностей, подбор материалов трущихся пар, уменьшение давления на поверхностях трения, повышение качества поверхностей и правильная смазка.

Влияние твердости на износостойкость поверхностей, подвергнутых действию абразива (корунда), показано на рис. 5.

Влияние твердости на износостойкость поверхностей, подвергнутых действию абразива (корунда)

За единицу принята износостойкость поверхности с HV 500 (~ HRС 50). Повышение твердости на каждые 500 единиц HV увеличивает износостойкость в 10 раз.

Условия опыта (абразивный износ) отличаются от реальных условий работы смазанных поверхностей в машиностроительных узлах. Тем не менее они дают представление об огромном влиянии твердости на износостойкость.

Современная технология располагает эффективными средствами повышения поверхностной твердости: цементация и обработка ТВЧ (HV 500—600), азотирование (HV 800—1200), бериллизация (HV 1000—1200), диффузионное хромирование (HV 1200—1400), плазменное наплавление твердыми сплавами (HV 1400—1600), борирование (HV 1500—1800), бороцианирование (HV 1800—2000) и др.

Другое направление заключается в улучшении антифрикционных свойств поверхностей осаждением фосфатных пленок (фосфатирование), насыщением поверхностного слоя серой (сульфидирование), графитом (графитирование), дисульфидом молибдена и др. При умеренной твердости такие поверхности обладают повышенной скользкостью, малым коэффициентом трения, высокой устойчивостью против задиров, заедания и схватывания. Эти способы (особенно сульфидирование и обработка дисульфидом молибдена) увеличивают износостойкость стальных деталей в 10—20 раз. Применяют и сочетание обоих методов (например, сульфоцианирование, повышающее одновременно твердость и скользкость поверхностей).

Важное значение имеет правильное сочетание твердости парных поверхностей трения. При движении с малыми скоростями под высокими нагрузками целесообразно максимальное повышение твердости обеих поверхностей, а при движении с большими скоростями в присутствии смазки — сочетание твердой поверхности с мягкой, обладающей повышенными антифрикционными свойствами.

Эффективным способом увеличения износостойкости является уменьшение давления в трущихся соединениях. Иногда этого можно достичь уменьшением нагрузок (рациональная раздача сил) или снижением степени цикличности и ударности нагрузок. Наиболее простой способ заключается в увеличении площади поверхности трения, нередко достигаемом без существенного увеличения габаритных размеров.

В качестве примера приведем направляющую металлорежущего станка, испытывающую нагрузку одностороннего действия (рис. 6, а).

Направляющая металлорежущего станка, испытывающая нагрузку одностороннего действия

Изменение профиля направляющей (рис. 6, б) позволяет примерно в тех же габаритах увеличить опорную поверхность и снизить давление вдвое с соответствующим повышением долговечности. Еще большей долговечностью обладают гребенчатые направляющие (рис 6, в). В этом случае давление уменьшается в 4 раза при увеличении габаритов примерно только в 2 раза по сравнению с исходной конструкцией.

Во всех случаях, когда допускает конструкция, точечный контакт следует заменять линейным, линейный поверхностным, трение скольжения — трением качения.

Невыгодны зубчатые передачи с точечным контактом: передачи с перекрещивающимися осями, конические с криволинейными зубьями, косозубые колеса с большим углом наклона зубьев, а также крутовинтовые передачи Последние невыгодны еще и тем, что пятно контакта у них перемещается с большой скоростью вдоль зуба при наличии трения скольжения, тогда как в передачах с эвольвентным зубом преобладает трение качения с малой скоростью.

Особое направление заключается в компенсации износа, осуществляемой периодически или автоматически. К числу узлов с периодической компенсацией принадлежат подшипники скольжения с осевым или радиальным регулированием зазора (с коническими несущими или посадочными поверхностями, с периодически подтягиваемыми вкладышами). Другие примеры — осевая подтяжка подшипников качения (радиально-упорных) и регулирование зазора в прямолинейных направляющих с помощью переставных клиньев и планок.

Более совершенны системы с автоматической компенсацией износа (самопритирающиеся конические пробковые краны, торцовые и манжетные уплотнения, узлы подшипников качения с пружинным натягом, системы гидравлической компенсации зазоров в рычажных механизмах и т. д.).

Решающее значение имеет правильная смазка узлов трения. Везде, где это возможно, следует обеспечивать жидкостную смазку и устранять полужидкостную и граничную. Следует избегать открытых механизмов, смазываемых периодически набивкой. Нецелесообразно применение открытых зубчатых и цепных передач. Все трущиеся части должны быть заключены в закрытые корпуса и надежно защищены от пыли, грязи и атмосферной влаги.

Наилучшим решением являются полностью герметизированные системы с непрерывной подачей масла под давлением ко всем подвижным соединениям.

Эффективность смазки повышают введением присадок, улучшающих ее смазочные качества (коллоидальный графит, сера, дисульфид молибдена), увеличивающих маслянистость (олеиновая, пальмитиновая и другие органические кислоты), предупреждающих окисление (органические и металлоорганические соединения S, Р и N2), предотвращающих задиры (кремнийорганические соединения).

В условиях, когда применение жидких масел невозможно (работа при высоких или низких температурах, при радиации, в химически агрессивных средах, глубоком вакууме) или неэффективно (при колебательных движениях малой амплитуды, при ударных и высокочастотных нагрузках), применяют сухопленочные смазки на основе сульфидов, селенидов и теллуридов Mo, W, V и др. со связками металлов Fe, Ni, Ag, Au. Коэффициент трения соединений с сухопленочными смазками f = 0,14—0,25.

Другой способ — смазка сухими порошками, состоящими из микросфер (d = 13 мкм), изготовленных из твердых (HV 800—900) материалов (вольфрамовые сплавы, науглероженное карбонильное железо). В таких подшипниках происходит отчасти перекат одной несущей поверхности относительно другой по микросферам, главным же образом скольжение по очень подвижному и текучему слою порошка (псевдожидкостное трение).

Несущие поверхности изготовляют из материалов такой же твердости, что и микросферы (азотированные стали, металло- и минералокерамика, ситаллы).

Идеальным с точки зрения износостойкости является полное устранение металлического контакта между рабочими поверхностями. Примерами безызносных узлов являются электромагнитные опоры с «витающими» валами, электромагнитные муфты и насосы (передача крутящего момента и осевого движения электромагнитными силами), муфты жидкостного трения (передача крутящего момента силами вязкого сдвига силиконовой жидкости), гидравлические трансформаторы (передача крутящего момента гидродинамическими силами потока жидкости).

Известное приближение к принципу безызносной работы представляют подшипники скольжения с гидродинамической смазкой. При непрерывной подаче масла и наличии клиновидности масляного зазора, обусловливающей нагнетание масла в нагруженную область, в таких подшипниках на устойчивых режимах работы металлические поверхности полностью разделяются масляным слоем, что обеспечивает теоретически безызносную работу узла. Их долговечность не зависит (как у подшипников качения) ни от нагрузки, ни от скорости вращения (числа циклов нагружения). Уязвимым местом подшипников скольжения является нарушение жидкостной смазки на нестационарных режимах, особенно в периоды пуска и остановки, когда из-за снижения частоты вращения нагнетание масла прекращается и между цапфой и подшипником возникает металлический контакт.

В последнее время получили применение гидростатические подшипники с подачей в зазор масла под давлением от, автономного насоса. В таких подшипниках трущиеся поверхности разделяются масляным слоем еще до пуска машины; изменение частоты вращения не влияет на работоспособность подшипника.

В гидростатических подшипниках возможно увеличение толщины масляного слоя до 100—120 мкм вместо обычных в гидродинамических подшипниках значений 10—20 мкм, что снижает (примерно на один порядок) коэффициент трения подшипника и общие затраты мощности на трение (с учетом мощности привода насоса).

Схема гидростатической опоры (подпятник) приведена на рис. 7, а. Масло из насоса через дроссель 1 поступает в карман 2 с запорной кольцевой кромкой 3.

Схема гидростатической опоры (подпятник)

Давление в кармане зависит от соотношения между сечением дросселя и переменным сечением между запорной кромкой и пятой. С увеличением нагрузки это сечение уменьшается, и давление в кармане возрастает, становясь в пределе равным давлению, создаваемому насосом. При ударных нагрузках давление в кармане, благодаря «закупорке» дросселя в результате повышения его гидравлического сопротивления, может значительно превзойти давление, создаваемое насосом.

В цилиндрических опорах, нагруженных силами переменного направления, применяют систему нескольких радиально расположенных карманов (рис. 7, б). При указанном направлении нагрузки несущим является нижний карман. Давление в верхнем кармане отсутствует вследствие истечения масла через увеличенный зазор на верхней дуге подшипника. Боковые карманы, давление в которых взаимно уравновешено, нагрузку не воспринимают. Масло, вытекающее через верхний и боковые карманы, выполняет обычную функцию охлаждения подшипника.

При перемене направления нагрузки на 180° верхний карман становится несущим, нижний — питающим. Аналогичное явление происходит при перемене направления нагрузки на 90°. Таким образом, подшипник. реагируя на перемещения вала, автоматически настраивается на восприятие нагрузки каждый раз в направлении вектора силы.

В связи с появлением гидростатических подшипников происходит переоценка сравнительных достоинств опор скольжения и опор качения, которым до сих пор отдавали определенное предпочтение. Опоры скольжения с правильно организованной смазкой принципиально выгоднее, так как они позволяют полностью исключить металлический контакт и осуществить безызносную работу, тогда как в опорах качения металлический контакт и износ неизбежны.

Применение гидростатических подшипников, однако, ограничивается усложнением системы смазки, в частности, необходимостью привода масляных насосов (на периоды пуска и остановки) от постороннего источника энергии.

Аэростатические (газостатические) подшипники используют, когда жидкие смазочные материалы неприменимы: при высоких частотах вращения (> 50 тыс. об/мин), высоких (> 250 °С) и низких (< —50°С) температурах, при работе в средах, вызывающих разложение масел, в установках, подвергающихся радиации. Применение воздушной смазки также целесообразно, когда трущиеся поверхности подвергаются загрязнению (открытые цилиндрические опоры и направляющие прямоугольного движения).

Несущая способность аэростатических опор, в частности сопротивляемость ударным нагрузкам, значительно ниже, чем гидростатических. Однако они обладают гораздо меньшим коэффициентом трения и вследствие малых зазоров (2—10 мкм) обеспечивают высокую точность центрирования. Несущая способность аэростатических опор (в противоположность гидростатическим) возрастает с повышением температуры вследствие увеличения вязкости воздуха с ростом температуры.

Воздушную и газовую смазку применяют в радиальных и упорных подшипниках быстроходных шлифовальных шпинделей, быстроходного сверлильного оборудования, роторов гироскопов, центрифуг, турбомашин, турбодетандеров, криогенных агрегатов, в опорах прецизионных поворотных столов, в направляющих металлообрабатывающих станков.

Одной из наиболее частых причин преждевременного выхода машины из строя является коррозия. В конструкции машин, особенно работающих на открытом воздухе, в условиях повышенной влажности или в химически активных средах, следует предусматривать эффективные средства зашиты, применяя гальванические покрытия (хромирование, никелирование, омеднение), осаждение химических пленок (фосфатирование, оксидирование), нанесение полимерных пленок (капронизация, полителинизация).

Наилучшим решением является применение коррозионностойких материалов (коррозионностойких сталей, титановых сплавов). Малонагруженные детали, соприкасающиеся с химически активными агентами, целесообразно изготовлять из химически стойких пластиков (полиолефины, фторопласты).

Применяя все описанные выше технологические и конструктивные мероприятия, можно у машин общего назначения повысить срок службы большинства деталей практически до любых значений, требуемых долговечностью машины в целом.

Проектируя машину, конструкторы часто не задумываются о долговечности деталей, выбирая их форму, размеры и методы обработки по сложившимся в данной отрасли машиностроения традициям и нормативам, которые в новых условиях, при непрерывном повышении напряженности режимов и в свете новых представлений о значении долговечности, нуждаются в пересмотре. В большинстве случаев достаточно поставить себе четко задачу и применить общие приемы рационального конструирования для того, чтобы еще на стадии проектирования решить многие проблемы долговечности, которые затем в уже готовой конструкции пришлось бы устранять в порядке доводки, с большими затратами и с использованием преимущественно технологических приемов.

Подобно тому, как в авиации все детали во время проектирования тщательно проверяют на массу, так в общем машиностроении следовало бы осуществлять систематический контроль и экспериментальную проверку проектируемых узлов и деталей на долговечность.

Есть, однако, исключения. Очень трудно обеспечить долговечность деталей, работающих в непосредственном соприкосновении с абразивной средой (крыльчатки насосов, перекачивающих загрязненные жидкости, рабочие органы почвообрабатывающих машин, резцы врубовых машин, зубья ковшей экскаваторов, траки гусеничных машин, щеки камнедробилок, цепи и приводы непрерывного транспорта для цемента, угля и др.

Срок службы таких деталей составляет в некоторых случаях (буровые коронки) десятки часов; его можно только удлинить путем подбора наиболее износостойких материалов и применением рациональной упрочняющей обработки.

Меры повышения долговечности удорожают конструкцию. Необходимо применение качественных материалов, введение новых технологических процессов, иногда организация новых участков цехов, требующая дополнительных капиталовложений. Это удорожание нередко отпугивает руководителей предприятий, рассматривающих вопрос о стоимости машины с заводской точки зрения и не учитывающих народнохозяйственный эффект повышения ее надежности. Эти расходы вполне оправданы. Стоимость изготовления деталей, определяющих долговечность машины, незначительна по сравнению со стоимостью изготовления машины, а последняя, как правило, невелика по сравнению с общей суммой эксплуатационных расходов.

Ничтожные в общем балансе дополнительные расходы на повышение долговечности дают в конечном счете огромный выигрыш в результате увеличения суммарной полезной отдачи машины, уменьшения простоев и стоимости ремонтов.

Отсюда вытекает важный практический вывод: стремясь, как правило, к удешевлению машины, не надо жалеть затрат на изготовление деталей, определяющих надежность машин. Не следует скупиться и на исследовательские работы по изысканию новых материалов и технологических приемов, повышающих долговечность.

Во многих руководствах по машиностроению рекомендуют применять дешевые материалы и простые способы изготовления, допускаемые по функциональному назначению детали. Эти рекомендации нельзя принять без оговорок.

Вопрос о выборе материалов и методов изготовления следует решать только на основании сопоставления относительной роли дополнительных производственных расходов в общей сумме расходов за период эксплуатации машины.

Для изготовления деталей, определяющих долговечность и надежность машины, необходимо применять наиболее качественные материалы и самые совершенные способы обработки.

В качестве примера можно привести поршневые кольца. Их качество в значительной степени предопределяет межремонтные сроки двигателя. Износ колец снижает отдачу двигателя, увеличивает расход топлива и масла. Сейчас срок службы колец нередко составляет только 500—1000 ч. Используя новейшие достижения в области повышения износостойкости пары кольцо—цилиндр (пористое хромирование колец, азотирование зеркала цилиндров, создание маслоудерживающего микрорельефа), можно повысить срок службы колец до 5—10 тыс. ч. Связанное с этим удорожание колец очень незначительно увеличивает стоимость двигателя, а повышение их износостойкости ввиду большой распространенности поршневых двигателей дает огромный экономический эффект.

Другой пример — подшипники качения. Обычно рекомендуют применение наименее точных подшипников, ссылаясь на увеличение их стоимости с повышением степени точности. Если принять стоимость изготовления подшипников нормальной точности за единицу, то стоимость подшипников при повышенной точности – 1,3; высокой — 2; прецизионной — 4.

Цифры на первый взгляд довольно убедительно говорят в пользу применения подшипников малой точности, однако такой вывод нередко является близоруким. Если учесть, что износ и повреждения подшипников качения являются одной из наиболее частых причин выхода машины из строя, в значительной мере предопределяющей межремонтные сроки, то следует признать более разумным и экономически выгодным применение в ответственных узлах подшипников повышенной точности, несмотря на их высокую стоимость. Разумеется, это не значит, что во всех случаях следует применять прецизионные подшипники, и не освобождает конструктора от необходимости обеспечить долговечность подшипников правильной их установкой и смазкой.