В статье основное внимание уделяется «износовым» отказам, а также условиям, которые гарантируют надежную работу многочисленных пар трения как при их изготовлении, так и при проведении планово-предупредительных осмотров и ремонтов.
К настоящему времени человечество разработало и создало огромное количество механических систем, от простых до очень сложных. Например, наждачное точило, велосипед, автомобиль, танк, самолет, судно, ракету и др. Львиную долю в механической части этих систем занимают пары трения, которые в течение эксплуатации изнашиваются, первоначально ухудшая функционирование техники/объекта, а в дальнейшем приводя к отказу. Выход из строя пар трения обычно характеризуется постепенным изменением в худшую строну рабочих параметров, что сопровождается повышенным стуком, скрежетом, утечками рабочих жидкостей (топлива и/или смазочных материалов через износившиеся манжетные уплотнения). Такого типа отказы называются постепенными — в отличие от мгновенных в виде хрупкого (практически мгновенного) разрушения. На долю так называемых «износовых» отказов приходится, по оценкам специалистов, до 90% всех случаев. Следовательно, выход из строя деталей по причине наступления предельно допустимого износа — доминанта. Поэтому в данной статье основное внимание уделим именно этому виду отказов, а также условиям, которые гарантируют надежную работу многочисленных пар трения как при изготовлении пар трения, так и при проведении планово-предупредительных осмотров и ремонтов.
Напомним, что традиционно (по русскому ученому В.Ф. Лоренцу) считается, что кривая износа деталей обычно имеет три этапа (рис. 1). На первом этапе происходит приработка поверхностей трения подвижного сопряжения, когда достаточно быстро изнашиваются гребешки шероховатости и несколько сглаживаются взаимные положения деталей при их некоторых несоосных расположениях, допущенных при сборке/ монтаже. Этот процесс является нежелательным, так как интенсивность изнашивания пар трения, не совсем оптимально собранных по материалам и шероховатости, достаточно резко возрастает. На втором этапе процесс изнашивания становится устойчивым, более медленным и в определенном смысле оптимальным. Наконец, третий этап — катастрофический, до которого нельзя доводить эксплуатацию вообще, чтобы не создать аварийную ситуацию с разрушением машины/механизма и пр.
Следует также отметить, что процесс развития износа у носит нелинейный характер и математически весьма часто может быть описан уравнениями парабол следующего вида:
y = ax2 + bx + c,
где a, b, c — вычисляемые параметры, а x — наработка детали до отказа, которая может выражаться в пути трения, времени эксплуатации или в циклах движений, как, например, число ходов поршня в цилиндре.
Использование этого уравнения для конкретных наблюдаемых статистических данных об износе корректно, но не позволяет осуществлять экстраполяцию/пролонгацию выводов об износе детали на несколько большую эксплуатацию, чем была реально реализована (рис. 1).
Три периода износа: I — этап приработки; II — стабильный, установившийся процесс нарастания износа; III — этап катастрофического развития износа. С — предельный допустимый уровень изнашивания, устанавливаемый из условия прочности и надежности функционирования.
Другое математическое выражение для описания процесса износа детали, например, вида y = (a.x)1/2 + b.(x)1/2– c.
В этом случае допускается некоторое искусственное увеличение величины наработки x, чем та величина, при которой она была прекращена в реальной эксплуатации или в лабораторных условиях. При этом необходимо стараться, чтобы испытания в лаборатории на стенде максимально соответствовали рабочим условиям и режимам работы объекта в реальной эксплуатации. В противном случае точных выводов об износостойкости не получить. Число минимально проверяемых пар трения может быть от трех до пяти при условии, что итоговые величины наработок до их отказа не отличаются друг от друга более чем на 5%. В противном случае для подтверждения выводов об износостойкости пары трения нужно проводить существенно большее число опытов.
Теперь рассмотрим основные факторы, которые следует обязательно учитывать при назначении как гарантийных сроков эксплуатации пар трения, так и при назначении планово-профилактических систем технического обслуживания и ремонта любой механической системы.
Как правило, промежуточный контроль размеров изнашивающихся деталей включает в себя следующие этапы: разборку подвижного сопряжения, обмывку/очистку деталей, сушку или протирку ветошью, измерение размеров, сборку, если не требуются ремонт или замена на новую/годную. Проблема при этом состоит в том, что далеко не всегда деталь в точности в первоначальном положении устанавливается именно так, как она располагалась в сопряжении. Возможен ее поворот на некоторый угол, небольшой перекос и пр. Тогда процесс приработки, который до этого момента был пройден, вновь появится, что может существенно сократить время нормальной эксплуатации (рис. 2).
С — предельный допуск на износ (ломаная линия — кривая износа); значком х показан момент досрочного возникновения отказа детали в работе.
В представленной ситуации в точке 01 вновь начнется этап приработки I, который быстро выведет из строя деталь. Если все же разборка сопряжения необходима, то перед ее выполнением надлежит четко промаркировать расположение и ориентацию разбираемых деталей, чтобы после осмотра точно поставить их на прежние места. Тогда новой приработки поверхностей трения фактически не будет. Другой важный момент, который обязательно следует учитывать, показан на рис. 3.
Рассеивание величин износа однотипных/однородных деталей происходит по мере увеличения наработки (сплошные линии); изменения моментов достижения предельного допуска на замену деталей в эксплуатации с учетом начальных допусков на изготовление (пунктирные линии).
В силу различных флуктуаций (отклонений в структуре материала родственных деталей, их прочности, шероховатости, большего или меньшего присутствия смазки в подвижном сопряжении, стабильности герметизации зоны трения от попадания в нее абразивных частиц и пр.) процесс износа имеет веерный характер для одних и тех же деталей (рис. 4). Причем сами кривые также имеют зазубринки на микроуровне, так как это связано с локальными отрывами частиц с поверхностей трения или с их прилипанием.
Перечисленные выше моменты необходимо учитывать как при изготовлении и начальной сборке пар трения, так и при проведении промежуточных сроков плановых технических осмотров или ремонтов.
Рис. 4. Веерный характер изнашивания однородных деталей
I — износ; C — предельно допустимый допуск на износ по условиям безопасной эксплуатации; t, L — наработка в часах (ч) или в километрах пробега (L) соответственно.
Наконец, на рис. 5 представлен итоговый график наработки до отказа всех ответственных изнашивающихся деталей (условные номера с первого по шестой) механической системы. Пунктирными дуговыми линиями показаны нижние и верхние максимальные отклонения в безотказной работе по каждой из однородных/однотипных по структуре и форме деталей, изготовленных по единой технологии. В силу различных флуктуаций подобное рассеивание ресурса работы всегда будет иметь место; и чем больше наработка, тем больше разброс.
Рис. 5. Итоговый график наработок изнашивающихся деталей до моментов появления возможных отказов в эксплуатации
П1 и П2 – сроки проведения промежуточных профилактик или технических осмотров.
Из графиков видно, что детали 1 и 3 идеально укладываются в первый межремонтный гарантийный цикл. Деталь 2 вообще непригодна для эксплуатации, поэтому требует конструктивного и/или технологического усовершенствования. Деталь 4 — своего рода долгожитель, ресурс которого можно несколько уменьшить, например, путем частичного удешевления технологии изготовления, что сэкономит предприятию определенные средства и время. Ресурс детали 5 почти идеален, но около 3% отказов все же будут иметь место. Если фирму-изготовитель это не устраивает, то требуется доработка этого изделия. Деталь 6 не удовлетворяет гарантийным срокам работы: ее ресурс должен быть либо увеличен за счет удорожания технологии изготовления с доведением до наработки П2, либо ресурс следует уменьшить до значения П1, удешевив технологию изготовления. Только в том случае, когда все пары трения с учетом возможных рассеиваний их наработок будут соответствовать назначенным гарантийным циклам П1 и П2, можно начать серийный выпуск конкретной механической системы. Аналогичная процедура должна быть выполнена и по прочностным расчетам всех ответственных деталей проектируемой или модернизируемой системы.
Последнее, на чем остановим внимание читателя, будет связано с рис. 6, который поясняет, как без каких-либо технологических или конструктивных усовершенствований/ доработок можно существенно повысить надежность работы пар трения в эксплуатации.
Для валиков максимальная плотность и частота случаев должна быть максимально близкой к размеру диаметра в 22 мм, а для отверстий втулок — к размеру диаметра отверстия в 18 мм.
Здесь наглядно показана принципиальная схема изготовления рассматриваемых деталей, обеспечивающая заметное повышение срока их наработки по причине достижения предельного износа, то есть до их отказа.
Предположим, что на предприятии изготавливаются следующие детали: валики с диаметром 20±2 мм и втулки с отверстиями с таким же размером. Тогда диапазон качественного диаметра этих деталей с учетом указанного допуска будет 18…22 мм. Положим, что в период эксплуатации допускается износ в обоих случаях в 4 мм, считая от номинала в 20 мм. Поэтому средний допустимый износ как для валика, так и для отверстия втулки будет равен 4 мм, минимальный — 2 мм, а максимальный, с учетом всего поля допуска на изготовление, — 6 мм. Выигрыш по наработке до отказа очевиден.
Например, если известно, что в среднем износ в 1 мм для валика и втулки образуется на пути пробега транспортного средства в 25 тыс. км, то изготовление валика/втулки с указанными выше допустимыми размерами даст максимальную безотказную наработку объекта в 150 тыс. км; среднюю наработку — 100 тыс. км и минимальную — 50 тыс. км. Итак, можно без особых усилий всегда получить положительный эффект для предстоящей эксплуатации.
Поэтому можно сформулировать следующую простую и важную рекомендацию для рабочего (например, токаря), который будет изготавливать партию валиков и втулок. В частности, валики нужно стараться изготавливать с максимальным по размеру диаметром (22 мм или чуть меньше); отверстия втулок следует получать с минимальным допустимым диаметром (18 мм или чуть больше). Под этими «чуть» подразумеваем примерно всего 0,1 или 0,2 мм. В этом случае можно гарантировать максимальную безаварийную наработку пар трения в реальной эксплуатации механической системы. По этой же схеме необходимо настраивать и станки с числовым программным управлением. Кроме того, во всех случаях, если это возможно, не проводить разборку приработанных сопряжений.
В силу ограниченности объема статьи ниже приводится сокращенный перечень публикаций автора.
Список литературы
- Трибология: международная энциклопедия. Том I. Историческая справка, термины, определения / под ред. д.т.н., проф. Войнова К.Н. — Санкт-Петербург—Краснодар. «АНИМА», ISBN 978-5-9902064-2-7, 978-5-9902064-1-0, 2010. — 176 с.
- Трибология: международная энциклопедия. Том II. Машины, стенды и устройства для трибоиспытаний, включая английские слова и выражения / под ред. д.т.н., проф. Войнова К.Н. — Санкт-Петербург—Краснодар. «АНИМА», ISBN 978-5-9902064-2-8, 2011. — 256 с.
- Трибология: международная энциклопедия. Том III. Приборы, устройства, средства испытания и контроля / под ред. д.т.н., проф. Войнова К.Н. — Санкт-Петербург. ПГУПС, ISBN 978-5-906108-04-3 Т.3, 2012. — 399 с.
- Трибология. Международная энциклопедия. Том IV. Физика-химия процессов трибоизнашивания / под ред. д.т.н., проф., акад. Войнова К.Н. — Санкт-Петербург. ПГУПС, ISBN 978-5-906108-07-4 Т.4, 2012. — 423 с.
- Трибология. Международная энциклопедия. Том V. Масла, смазки, присадки для подвижных трибосопряжений, герметизация и уплотнения / под ред. д.т.н., профессора, академика Войнова К.Н. — Санкт-Петербург, ПГУПС, ISBN 978-5-906108-05-0, 2013. — 378 с.
- Трибология. Международная энциклопедия. Том VI. Технологические методы повышения надежности работы подвижных трибосопряжений /под ред. д.т.н., проф., акад. Войнова К.Н. — Санкт-Петербург. Университет ИТМО и ИХиБТ, «Нестор-История», 2013. — 404 с.
- Трибология. Международная энциклопедия. Том VII. Рациональное конструирование трибосопряжений / под ред. д.т.н., проф., акад. Войнова К.Н. — Санкт-Петербург. Университет ИТМО и ИХиБТ, «Нестор-История», ISBN978-5-906108-06-7, 2014. — 264 с.
- Трибология. Международная энциклопедия. Том VIII. Методики расчета пар трения и отдельных элементов / под ред. д.т.н., проф., акад. Войнова К.Н. — Санкт-Петербург. Университет ИТМО и ИХиБТ, «Нестор-История», ISBN 978-5-906108-09-8, 2014. — 272 с.
- Трибология. Международная энциклопедия. Том IХ. Эффективная трибология при лезвийной и иной обработке заготовок/ деталей / под ред. д.т.н., проф., акад. Войнова К.Н. — Санкт-Петербург, Университет ИТМО, «Нестор-История», ISBN 978-5-906108-02-9, 2015. — 260 с.
- Трибология. Международная энциклопедия. Том Х. Моделирование и расчеты в трибологии и надежности / под ред. д.т.н., проф., акад. Войнова К.Н. — Санкт-Петербург, Университет ИТМО, «Нестор-История», ISBN 978-5-906108-10-4, 2015. — 200 с.
- Трибология. Международная энциклопедия. Том ХI. Компьютерные программы и примеры расчетов в трибологии и триботехнике / под ред. д.т.н., проф., акад. Войнова К.Н. — Санкт-Петербург, Университет ИТМО, «Нестор-История», ISBN 978-5-4469-0819-6, 2016. — 240 с.
- Войнов К.Н. Проблемы и решения в вопросах трения/изнашивания. Монография. — Санкт-Петербург, Университет ИТМО, «Нестор-История». ISBN 978-5-906108-11-1, 2015. — 500 с.
Журнал Prostoev.NET № 3(8) 2016
Авторы: Кирилл Войнов, академик Санкт-Петербургской Инженерной академии, университет ИТМО, Санкт-Петербург
