2. Причины изменения технического состояния и отказов объектов

2.1. Причины изменения технического состояния и отказов механических систем

Детали и узлы, входящие в состав механических систем, делят на детали и узлы общего и индивидуального назначения.

Детали и узлы общего назначения используются практически во всех механических системах. К ним относятся соединительные детали (соединения), детали передач и подшипники.

Соединения могут быть выполнены неразъемными (соединение сваркой, пайкой, клепкой, склеиванием, напрессовкой) или разъемными (болтовое, винтовое и т. п. соединения).

Детали передач предназначены для передачи энергии на расстояние. К ним относятся зубчатые колеса, шкивы, звездочки, ремни, цепи, а также оси, валы, муфты.

Подшипники делятся на подшипники качения и подшипники скольжения. Подшипники качения являются опорами вращающихся и качающихся деталей и состоят из наружного и внутреннего колец, тел качения (шариков или роликов) и сепаратора (разделяющего тела качения). Подшипники скольжения являются опорами вращающихся деталей. Простейший подшипник скольжения – это отверстие в корпусе машины, но обычно в отверстие вставляется вкладыш из антифрикционного материала.

Детали и узлы индивидуального назначения применяются в механических системах определенных типов. К ним относятся шарнирно-рычажные и кулачковые механизмы (преобразующие вращательное движение в возвратно-поступательное или качательное и наоборот), пружины и рессоры (предназначенные для смягчения толчков и ударов и защиты от вибраций), маховики (обеспечивающие равномерность движения), маятники и грузы (служащие для уравновешивания механизмов или для накопления энергии), колеса (выполняющие функцию движителя в транспортных машинах), цилиндропоршневые группы (в двигателях внутреннего сгорания, насосах), клапаны (управляющие расходом газов или жидкостей) и т. д.

В процессе эксплуатации детали механических систем подвергаются воздействию различных факторов. Наиболее существенное влияние на механические системы оказывают механические нагрузки, температура, влажность, пыль и др. Эти факторы влияют на техническое состояние систем и, в конечном итоге, служат причиной перехода систем в предельное состояние, частным случаем которого является отказ.

Процесс изменения технического состояния нельзя предотвратить даже выполнением всех правил проектирования, изготовления и эксплуатации. Ошибки же, допущенные при проектировании, изготовлении и эксплуатации, ускоряют этот процесс и часто являются причиной ранних отказов.

Так, типичными ошибками проектирования (конструктивными ошибками) механических систем являются:

• наличие концентраторов напряжения,

• ошибки в распределении нагрузок,

• неправильный расчет эксплуатационных нагрузок,

• неправильный выбор материалов,

• неправильный расчет и недостаточная защищенность узлов трения и др.

К ошибкам и дефектам изготовления (технологическим ошибкам и дефектам) относятся:

• ошибки в составе материалов,

• дефекты при плавке (раковины, неметаллические включения),

• ошибки при механической обработке (задиры, трещины, ожоги),

• ошибки и дефекты сварки, сборки, термообработки.

Основными эксплуатационными причинами изменения технического состояния являются:

• нарушение условий эксплуатации и технического обслуживания, а также

• непредвиденные нагрузки и перегрузки узлов и деталей систем.

Изменение технического состояния механических систем связано с происходящими в них необратимыми процессами: изнашиванием, пластической деформацией, пластическим разрушением, усталостным старением, коррозией, физико-химическим изменением материала.

Изнашиванием называется процесс изменения размеров, формы, массы или состояния поверхности деталей вследствие разрушения и отделения их поверхностного слоя при трении. Результатом изнашивания является износ. В зависимости от причин, вызывающих изнашивание механических деталей, различают:

• абразивное изнашивание (вследствие режущего действия твердых частиц, например, пыли и песка),

• изнашивание вследствие пластических деформаций (заключающееся в перемещении внешних слоев трущихся поверхностей и приводящее к изменению размеров деталей без потери их массы),

• усталостное изнашивание или изнашивание при хрупком разрушении (когда поверхностный слой в результате трения и циклической нагрузки становится хрупким и разрушается),

• адгезионное или молекулярно-механическое изнашивание (в результате молекулярного сцепления и глубинного вырывания материалов трущихся поверхностей, например, поверхностей шестерен),

• окислительное или коррозионно-механическое изнашивание (состоящее в механическом разрушении постоянно образующихся на поверхностях трения под агрессивным воздействием среды непрочных оксидных пленок, например, в плунжерных парах или на деталях цилиндропоршневой группы),

• эрозионное изнашивание (под воздействием на механические детали потока жидкости или газа, например, изнашивание жиклеров),

• электроэрозионное изнашивание (эрозионное изнашивание под воздействием электрического разряда, например, электродов свечей).

Пластическая деформация происходит при воздействии нагрузки, превышающей предел текучести вязкого материала, а пластическое разрушение – при нагрузке, превышающей предел прочности хрупкого материала.

Часто твердые материалы разрушаются при нагрузках, меньших предела прочности и даже предела текучести. Такое разрушение называют усталостным. Усталостное разрушение происходит вследствие усталостного старения, которое является результатом постепенного накопления и роста усталостных трещин обычно при циклическом или знакопеременном приложении нагрузок. Способность материалов воспринимать циклические и знакопеременные напряжения без разрушения называется циклической прочностью или выносливостью.

Коррозией (лат. cоrrōsīvus [corrodo] –едкий, разъедающий от лат. rōdo, rōsī, rōsum – грызть, глодать, разъедать) называют разрушение металлов, вызванное химическим или электрохимическим воздействием внешней среды. Коррозии подвержены металлические детали, не защищенные от агрессивного воздействия среды. В зависимости от механизма ее процесса, коррозию делят на химическую и электрохимическую. Химическая коррозия протекает в газах и парах без конденсации влаги на поверхности металла или в жидкостях, не проводящих электрического тока. Обычно химическая коррозия связана с окислением металла кислородом. Электрохимическая коррозия проявляется при соприкосновении металлов с растворами, проводящими электрический ток (например, при конденсации влаги на поверхности металла). В этом случае поверхность металла, смоченная токопроводящей жидкостью, становится похожей на множество маленьких короткозамкнутых гальванических элементов – разнородных металлов, погруженных в электролит. Это явление обусловлено химической неоднородностью любого металлического изделия – примесями, кристаллами и т. д. Под действием электродвижущей силы с участков поверхности, имеющих более отрицательный потенциал, удаляются атомы металла, и эти участки постепенно “растворяются”. Если среда отрицательнее металла, то соли и щелочи, содержащиеся в электролите, осаждаются на металлической поверхности. При этом часто происходит разрушение металла.

Процесс физико-химического изменения материалов называется старением. Старению подвержены как металлы, так и полимерные материалы.

Старение полимерных материалов связано с процессами деструкции и структурирования полимеров. Деструкцией называется распад основных цепей макромолекул на более простые цепи или изменение структуры макромолекул без разрыва цепей под воздействием температуры, света, воды, кислорода и т. д. При структурировании в полимерах происходит образование дополнительных внутренних связей. Старение полимерных материалов приводит к существенному изменению их физико-химических свойств – предела прочности, эластичности, сопротивления пластической деформации и др. Так, например, при старении натурального каучука в результате деструкции происходит его размягчение, а в результате структурирования – охрупчивание.

Старением металла или сплава называют процесс его постепенного перехода с течением времени из неравновесного состояния, в котором он может находиться, в равновесное. Основными видами старения металлов и сплавов являются:

• распад пересыщенных твердых растворов,

• мартенситное превращение и распад мартенситной структуры и

• полиморфное превращение.

При изготовлении сплавов растворимость компонентов в основном металле увеличивается с ростом температуры. После нагрева до высокой температуры и быстрого охлаждения (закалки) твердый раствор становится пересыщенным, поскольку в холодном растворе оказывается растворенным большее количество компонента, чем то, которое соответствует растворимости компонента в основном металле при данной температуре. Структура такого сплава является неустойчивой (метастабильной), и в нем начинаются процессы распада – обеднения пересыщенного раствора и перехода сплава в стабильное состояние. В ходе этих процессов атомы растворенного компонента скапливаются в определенных местах кристаллической решетки и постепенно образуют собственные кристаллические решетки. Затем решетки отрываются и объединяются в самостоятельные дисперсные частицы. В растворенном состоянии в сплаве остается соответствующее его температуре количество компонента, и структура сплава становится стабильной.

Мартенситом называют микроструктуру особого игольчатого вида, существующую в некоторых закаленных металлических сплавах и чистых металлах. Сталь мартенситной структуры отличается максимальной твердостью и прочностью. Мартенситная структура образуется в результате мартенситного превращения. Мартенситное превращение заключается в относительном смещении атомов в решетке при охлаждении сплава с достаточно большой скоростью. В небольших количествах мартенситная структура может образовываться даже при постоянной температуре. Стали мартенситной структуры представляют собой пресыщенный твердый раствор углерода в -железе, получаемый при закалке аустенита. При небольших нагревах мартенситных сталей (до 100 – 250 C) – отпуске – мартенситная структура начинает распадаться. Распад сопровождается выделением углерода из решетки железа и образованием карбида железа и завершается наступлением метастабильного равновесия.

Полиморфные превращения возможны для металлов и сплавов, способных существовать в двух или нескольких кристаллических структурах (модификациях). Полиморфным превращением называется переход одной модификации в другую при охлаждении до определенной температуры – точки перехода. Этот переход всегда сопровождается изменением объема.

Старение металлов и сплавов – не всегда вредное явление. Часто оно приводит к улучшению требуемых свойств. Например, в результате старения алюминиевых и медных сплавов повышается их прочность, при старении никелевых сплавов повышается прочность и жаростойкость, а распад мартенситной структуры стали приводит к дополнительному упрочнению за счет образования карбидной фазы. Поэтому в промышленности часто прибегают к искусственному старению металлов и сплавов.

Вообще же старение материалов – явление столь же нежелательное, сколь и неизбежное. Так, изменение структуры металлов при полиморфном превращении полностью изменяет свойства металлов, резинотехнические изделия со временем утрачивают прочность и эластичность, распад пересыщенных твердых растворов сопровождается снижением сопротивления сплава коррозии, появлением напряжений в зернах и, вследствие этого, коррозионным растрескиванием.

Опыт эксплуатации машин показывает, что соединения разрушаются обычно вследствие аварийных нагрузок. Зубчатые колеса в условиях хорошей смазки выходят из строя от усталостного выкрашивания, а при недостатке смазки или при высоких нагрузках, когда защитная масляная пленка разрушается, возможно их заедание. Ремни разрушаются, как правило, в результате старения. В цепях разрушаются втулки вследствие ударных нагрузок. Муфты, крутящий момент в которых передается посредством резинового элемента (упругая втулочно-пальцевая, упругая с торообразной оболочкой), теряют работоспособность вследствие старения резины. В муфтах с металлическими пружинами обычно ломаются пружины либо вследствие перегрузок, либо из-за потери прочности при усталости. Причиной потери работоспособности фрикционных муфт является загрязнение и замасливание фрикционных поверхностей. Валы либо переходят в предельное состояние вследствие износа посадочных мест, либо утрачивают работоспособность по причине усталостного разрушения или деформации, вызванной аварийными нагрузками. Подшипники скольжения подвержены абразивному изнашиванию, особенно при попадании пыли и песка. Подшипники качения также подвержены абразивному изнашиванию; кроме того, для них характерно усталостное выкрашивание.

Что касается деталей и узлов индивидуального назначения, то те из них, которые представляют трущиеся пары, подвержены абразивному или коррозионно-механическому изнашиванию, а также заеданиям и заклиниваниям при попадании посторонних твердых частиц. Металлические упругие элементы разрушаются при потере циклической прочности в результате усталостного старения. Клапаны подвержены эрозионному изнашиванию и, вследствие этого, постепенно переходят к предельному состоянию. Детали, изготовленные из полимерных материалов, или охрупчиваются в результате старения и разрушаются, или размягчаются при воздействии активной среды (например, масла) и перестают выполнять требуемые функции.

Металлические детали, незащищенные антикоррозионным покрытием, помимо всего прочего, подвержены коррозии, особенно, если они эксплуатируются вне помещений: соли, кислоты и щелочи, содержащиеся в почве, воде и воздухе ускоряют процесс коррозионного изнашивания.