Износ деталей и узлов механизмов и машин

Износ деталей и узлов механизмов и машин

1.1 Классификация износа машин и деталей

Естественный износ машин является следствием работы сил трения между сопряженными деталями. В результате естественного износа при неправильной эксплуатации и несвоевременном ремонте недостатки могут перерасти в аварийные и преждевременно разрушить машину.

Аварийные износы почти всегда связаны с недостатками в конструировании, изготовлении или уходе за машиной.

Наиболее характерными причинами, вызывающими аварийный износ, являются:

- нарушение нормального режима работы машины (перегрузка, потеря правильности взаимодействия частей, ослабление крепления болтов, шпонок, клиньев и т. п.);

- неправильный ремонт смазки – отсутствие смазки, несоответствие состава смазки, неправильные нормы смазки;

- несвоевременная чистка механизма;

- несвоевременная замена износившихся деталей;

- усталость металла;

- неправильный монтаж машины или узла.

Механический износ является следствием работы сил трения. Различают два основных вида трения: трения скольжения и трения качения. Если одновременно происходит скольжение и трение, то такое трение называется сложным.

Трение скольжения – наиболее распространенный вид трения в деталях обогатительных машин. Трениями качения является трение между шариками и опорными поверхностями колец шарикоподшипников.

По характеру возникновения отказы любого вида углеобогатительных машин подразделяются на постепенные и внезапные. Постепенные отказы наступают вследствие непрерывного и плавного изменения во времени количественных характеристик, определяющих качество деталей. Отказы вызываются  не поломкой, а изменением их основных параметров сверх допустимых пределов. Типичным примером является изменение параметров сопряженных деталей машины в результате нарастания механического износа.

Кривая механического изнашивания (рисунок 1) имеет три ясно выраженных периода. Первый период (приработка) характеризуется  повышенным изнашиванием, так как в объекте проходят направленные изменения – притирка и шлифовка трущихся поверхностей.

Второй период называют зоной установившегося, или нормалыюго изнашивания. В этом периоде сопряжение приобретает относительно стабильные свойства, отвечающие условиям нагружения, и характеризуется постепенным ростом износа без изменения физической сущности работы сопряжения.

Третий период называют зоной катастрофического изнашивания. Скорость изнашивания резко возрастает, так как по достижении некоторой критической величины возникает качественный скачок в условиях работы сочленения. Он заключается в существенном изменении физической картины происходящих явлений.

Рисунок 1 – Кривая механического изнашивания деталей:

Ι, ΙΙ и ΙΙΙ – периоды изнашивания

На скорость изнашивания сочлененных деталей начинают влиять новые факторы – ударные нагрузки, сухое трение и другие, которые ранее не ощущались. Это приводит к резкому ухудшению состояния сочленения и к его разрушению.

Таким образом, основным свойством постепенных отказов является зависимость их появления от длительности эксплуатации оборудования или его деталей.

В общем виде кривая изменения количественных характеристик деталей во времени при постепенных отказах показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Изменение количественных характеристик деталей обогатительных машин при постепенных отказах:

1 – граничный износ; Тн – нормальное время работы детали

Если известен средний износ деталей, то время наступления постепенных отказов может быть с достаточной точностью определено расчетным путем.

При внезапных отказах изменение количественных характеристик деталей происходит дискретно (прерывно). Типичными примерами внезапных отказов являются поломки валов и появление трещин в коробках грохотов, повреждения колосников сит обезвоживающих центрифуг мелкого концентрата случайно попавшим металлическим предметом, заклинивание роторных разгрузчиков тяжелых продуктов отсадочных машин крупными кусками породы и т.д. Изменение количественных характеристик деталей обогатительных машин при внезапных отказах показана на рисунке 3.

Рисунок 3 – Изменение количественных характеристик деталей обогатительных машин при внезапных отказах:

t0 – момент возникновения внезапного отказа

Дискретные изменения характеристик деталей, приводящие к отказам, иногда являются следствием, завершающим протекания непрерывного изменения. Так, увеличение зазоров вследствие механического   изнашивания в сочленении машины при неблагоприятных условиях может привести к заклиниванию деталей, их поломке, хотя величина зазора между трущимися деталями и не достигла своего критического значения. Момент появления отказа деталей также является случайным событием, так как однотипные детали имеют определенный разброс в сроках службы, обусловленных вариациями качества их изготовления, условиями эксплуатации и процессами старения. Поэтому точно установить момент, при котором произойдет резкий переход граничных значений прочностной характеристики деталей, невозможно.

Отказы любого вида оборудования могут быть независимыми и зависимыми. Независимым отказом оборудования называют такой отказ, который наступает в результате выхода из строя только одной детали, например выход из строя одного из подшипников узла ротора центробежного грохота, при условии полной исправности остальных деталей, входящих в данный узел.

Если отказ оборудования возникает как результат ранее последовательно наступивших неисправностей в двух или в больше количестве деталей соответствующего вида оборудования, то его называют зависимым. Примером такого отказа обогатительного оборудования может служить выход из строя подшипника ротора центробежного грохота, вызванного вытеканием смазки из-за изнашивания уплотнений. Отсутствие достаточного количества смазки в результате ее утечки через образовавшиеся неплотности в уплотнениях не влечет за собой немедленного отказа подшипника Перегрев же подшипника, вызванный отсутствием смазки в необходимом количестве, ведет к выходу его из строя и возникновению отказа машины.

1.2 Формы проявления износа

При исследовании надежности различного вида технических устройств важное значение имеет определение мест появления отказов. При этом приходится различать устройство в целом, его узлы отдельные детали узлов и отдельные элементы деталей и узлов. Поэтому в теории надежности все изделия принято делить на две условные категории: системы и элементы. Система – совокупность совместно действующих объектов, полностью обеспечивающая выполнение определений функций.

Элемент – часть системы, не имеющая самостоятельного эксплуатационного значения и выполняющая в ней определенные функции. Элемент и система понятия относительные. В различных задачах один и тот же объект может рассматриваться и как система, и как элемент в зависимости от того, на каком уровне удобнее рассматривать поставленную задачу.

Рассматривая машину как комплекс различных составляющих ее деталей, нетрудно установить, что в отношении надежности она представляет собой систему, а детали и другие компоненты ее конструкции – элементы системы. При этом по степени влияния отказов отдельных деталей на работоспособность машины в целом все детали, входящие в машину, можно разбить на основные и второстепенные.

Отказ любой основной детали приводит к отказу всей машины, например заклинивание в подшипниках вала ротора центробежного грохота МГЦС.

Отказ одной или нескольких, но не всех второстепенных деталей, относящихся к определенному узлу оборудования, не приводит к отказу объекта в целом, например отказ одного или нескольких, но не всех восьми болтов, входящих в узел ротора центробежного грохота МГЦС. Отказ объекта наступает тогда, когда отказывают все детали данного вида, входящие в узел.

В соответствии с указанным выше разделением деталей различают основные и второстепенные неисправности технологического оборудования обогатительных фабрик.

Основной неисправностью технологического оборудования обогатительных фабрик следует называть отказ основных деталей, вызывающий отказ всей машины. Отказ второстепенных деталей технологического оборудования, не влекущих за собой отказа всей машины, следует называть второстепенной неисправностью.

Установление часто встречающихся отказов позволяет оценить слабое место соответствующего вида оборудования и принять меры к его усилению. Не менее важно установить причину появления отказа в данном месте.

Конструктивные отказы возникают вследствие несовершенства конструкции машины. Типичными примерами их являются отказы, возникающие при эксплуатации в результате неучтенных пиковых нагрузок, низкой износостойкости принятых материалов и т.п. Конструктивные дефекты одинаково сказываются во всех экземплярах машин данного вида.

Изготовительные, или технологические отказы возникают вследствие нарушений установленной проектом технологии изготовления машины на заводе. Изготовительные дефекты приводят к снижению надежности у некоторой части экземпляров машин.

Эксплуатационные отказы. Для каждого вида технологического оборудования обогатительных фабрик устанавливаются ограничения на его эксплуатацию, задаются правила ведения технологического процесса, ухода за оборудованием и составными узлами. Нарушение правил эксплуатации оборудования, установленных технологическим режимом работы, несвоевременная смазка и неустранение выявленных дефектов, несоблюдение периодичности проведения профилактических осмотров и ремонт и т.п. приводят к преждевременным отказам и изнашиванию оборудования. Такие отказы имеют место лишь  для   части эксплуатируемых экземпляров оборудования данного вида.

Изнашивание (старение) оборудования. Сколь угодно высокое качество деталей и оборудования не может предотвратить постепенного изнашивания. В металлах, пластмассах и других материалах в процессе эксплуатации накапливаются необратимые изменения, которые нарушают прочность, координацию и взаимодействие отдельных частей машины и в конечном счете вызывают ее отказы. Под изнашиванием понимают процесс постепенного изменения размеров детали по ее поверхности при трении. Происходит постепенная потеря деталью свойств, обеспечивающих нормальную работу машины при эксплуатации.

Основной причиной отказов деталей и узлов технологического оборудования обогатительных фабрик является изнашивание. Скорость изнашивания зависит от внешних механических воздействий, скорости относительного движения обогащаемого материала, удельной нагрузки, вибрации, температуры, от свойств среды, в которой происходит работа сопряженных деталей и узлов обогатительных машин, от свойств материалов, из которых изготовлены детали и узлы, от методов их обработки и упрочнени: при изготовлении.

При обогащении углей в водной среде преобладающими являются коррозионноусталостное разрушение и коррозионноабразивное изнашивание, а при сухих способах обогащения улей – абразивное изнашивание и усталостное разрушение.

Абразивное изнашивание деталей и узлов углеобогатительного оборудования происходит при воздействии на них движущихся мacc угля и породы. Взаимно-сопряженные детали машин работают в запыленной среде и при загрязненной смазке. Это приводит к повышенному износу различных деталей и узлов – защитных листов, труб, коробов и вибраторов грохотов, роликов, валиков, втулок, пластин, направляющих полос тяговых органов грузовых элеваторов и скребковых конвейеров и др.

Усталостное разрушение происходит под действием повторяющихся и знакопеременных нагрузок. При сухом методе обогащения угля и антрацита усталостное разрушение наступает в валах и подшипниках редукторов, грохотов, элеваторов, коробах и пружинах грохотов и в других деталях.

Коррозионноусталостное разрушение металла происходит при активном действии на узлы и детали агрессивной водной среды, а также переменных нагрузок. При этом разрушение металла происходит при напряжениях, меньших предела прочности и предела усталости, а наличие  напряжений в деталях резко увеличивает скорость коррозии.

При совместном воздействии на детали и узлы машин агрессивных вод и частиц угля или породы происходит коррозионноабразивное изнашивание оборудования, которое является преобладающей причиной выхода из строя узлов и деталей машин при мокром способе обогащения углей.

С течением времени эксплуатации предельно допустимая прочность узлов и деталей оборудования Sпр, уменьшается (рисунок 4). Это обусловлено изнашиванием деталей и рядом других случайных причин. Уровень нагружения оборудования в процессе эксплуатации не является строго постоянным. Он изменяется при нормальной эксплуатации от S1 до S2 и при случайных причинах – резко до Smax (пиковые нагрузки).

Рисунок 4 – Возникновение отказов деталей при совместном действии нескольких причин

Если случайное нагружение оборудования в период времени t1 до величины S/max не вызвало отказа, то аналогичное случайное нагружение машины в период времени t2 может привести к отказу. Если в момент времени t3 не возникло пикового нагружения оборудования, то по истечении времени t3 наступит такое состояние, при котором выполнение оборудованием заданных функций окажется невозможным в результате постепенного изнашивания составляющих его деталей или отдельных узлов.

Отказ, возникший в момент времени t2 можно квалифицировать как внезапный, а отказ, возникший в момент времени t3 – как постепенный.

1.3 Методы диагностики отказов и обнаружения дефектов в деталях

Задача диагноза заключается в определении состояния машины в условиях эксплуатации или при заводском контроле готовой продукции. Результаты диагноза служат основанием для принятия решения о дальнейшем использовании машины, а также о характере предстоящего ремонта или технического обслуживания.

Диагностика является косвенным методом измерения некоторых параметров, характеризующих техническое состояние машины. Элементы машины, свойства которых подлежат определению, обычно недоступны для непосредственного наблюдения и измерения, поэтому приходится измерять не их параметры, а параметры процессов, порождаемых работающей машиной и доступных для измерения.

Диагностика как метод измерения должна удовлетворять двум обязательным требованиям: повторяемости и однозначности.

Повторяемость заключается в том, чтобы диагностический процесс можно было повторять произвольное число раз, т.е. чтобы он обладал свойством стандартности (например, повторяемость работы пульсатора отсадочной машины).

Однозначность относится к объективности диагноза и состоит в том, чтобы повторяемые диагностические обследования механизмов, находящиеся в одном и том же состоянии, приводили к одинаковым результатам.

Системы диагностики применяются для контроля готовых изделий на заводах-изготовителях и для оценки технического состояния машин в условиях эксплуатации.

В первом случае обнаруживается брак в выпускаемой продукции, во втором – устанавливается потребность механизмов в ремонте и оценивается их остаточный ресурс.

Системы диагностики различаются уровнем получаемой информации о механизме.

В зависимости от решаемой задачи выделяют классы диагностических систем.

1.     Системы для разбраковки механизмов. Этими системами характеризуются только два класса возможных состояний механизма - «исправное» и «неисправное».

2.     Системы для аттестации механизмов. При этом решается более общая задача диагностики: по принятому от механизма сигналу нужно определить класс, к которому относится состояние обследуемого механизма.

3.     Системы для измерения скрытых параметров механизма без его разборки. Задача заключается в определении величины параметров Х1, Х2, ….Хп, принятых для описания состояния механизма, по величине параметров сигнала S1, S2,…….Sm.

4. Системы прогнозирования состояния механизма. По известным состояниям механизма в предшествующие моменты времени и по его текущему состоянию система диагностики должна определить состояние, в которое перейдет механизм после τ часов работы.

Для устранения возможности возникновения внезапных отказов в машинах необходимо решить три научно-технические задачи :

- создать эффективные средства диагностики, позволяющие определять состояние машины (узла) и скорость его изменения в любой текущий момент времени;

- установить закономерности разрушения машины (узла);

- создать машины, характер износа которых мало зависел бы от неконтролируемых внешних факторов.

Для обнаружения дефектов непосредственно в готовых агрегатах не разбирая их, используют ультразвуковые методы. Такой метод широко используется, например, при контроле качества сварных швов на трубах.

Термическая индикация неисправностей предусматривает использование термоиндикаторных красок, меняющих цвет при строго определенных температурах. Для каждого типа деталей и элементов определяют их максимально допустимые температуры нагрева, после чего их окрашивают соответствующими красками.

При очередном осмотре машины мотористу или слесарю остается лишь отметить детали, изменившие свой цвет. Термоиндикаторные краски, рассчитанные на разные критические температуры, имеют разные цвета. Для того чтобы можно было выделить детали, которые изменили свой цвет под действием перегрева, их окрашивают «зеброй», причем одна полоса наносится обыкновенной, соседняя – термоиндикаторной краской. В обычном состоянии деталь кажется одноцветной, но стоит ей перегреться, как она сразу делается полосатой.

Ароматическая диагностика предусматривает использование капсул с сильно пахнущими веществами, например, этилмеркаптаном. Такие капсулы запрессовывают на определенную глубину в изнашиваемую деталь. Как только деталь износится до предела, протрется и капсула. При этом окружающий воздух приобретает характерный запах.

При работе оборудования в водной среде могут быть использованы ампулы с красителями, так как в водной среде запахи распространяются хуже.

Визуальный допуск труднодоступных дефектов основан на принципе передачи изображений по световодам. Прозрачную стеклонить диаметром в тысячные доли миллиметра покрывают тончайшей оболочкой, но из стекла с меньшим показателем преломления. Луч света, направленный внутрь, побежит по волокну, бесчисленное число раз отражаясь от его стенок, и выйдет на противоположном конце. Пучок из нескольких тысяч тонких волокон, заключенных в общую оболочку, и представляет собой световод или, как его еще называют, светокабель. Его можно изгибать под любыми углами и даже завязывать в узлы, однако посланное с одного конца изображение благополучно достигает другого. Светокабели широко используются при конструировании разного рода гибких зондов предназначенных для безразборного поиска дефектов во внутренних полостях станков и двигателей.

Акустическая диагностика повреждений. Физическим носителем информации о состоянии элементов механизма в акустической диагностике служат упругие волны, которые возбуждаются в механизме соударением деталей и регистрируются датчиком колебаний, установленным на его корпусе. Исследуя их, узнают о свойствах механизма, которые являются первоисточниками его колебаний.

Существуют две основные причины, вызывающие колебание механизма. Одна из причин связана с неуравновешенностью движущихся деталей. Она вынуждает механизм колебаться как единое целое относительно положения равновесия. Эти колебания характеризуются низкими частотами. Вторым источником колебаний механизма служат соударения его деталей. Они отличаются высокими частотами. Колебания машины, порожденные соударением его деталей, называются акустическими, а диагностика, основанная на их анализе, акустической диагностикой. Если волны распространяются не в воздухе, а в жидкости, то такую акустику называют гидроакустикой.

Колебания, которые служат сигналом в акустической диагностике, регистрируются датчиком, установленным непосредственно на механизме, но аналогичные колебания можно регистрировать и микрофоном без непосредственного контакта с механизмом.