Изменение технического состояния тракторов в процессе эксплуатации

Современные тракторы достаточно совершенны по конструкции и располагают необходимыми эксплуатационными качествами. Качество тракторов и их составных частей характеризуется совокупностью принадлежащих им свойств, обеспечивающих пригодность этих объектов для выполнения потребностей в соответствии с назначением.

Надежность трактора: что это на самом деле и почему она «уезжает»?

Важной характеристикой качества тракторов и их составных частей является надежность, отражающая служебные свойства данных объектов, которые закладываются в процессе проектирования и производства машин, реализуются при эксплуатации и возобновляются при помощи ремонта. Термины и определения основных понятий надежности машин установлены ГОСТ 27.002—83.

Надежность — свойство объекта (трактора или его составной части — агрегата, узла, детали) сохранять во времени в заданных пределах значения всех параметров, обеспечивающих выполнение требуемых функций в установленных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Служебные свойства тракторов и их составных частей при эксплуатации со временем изменяются. Это вызвано тем, что в указанный период данные объекты подвергаются различным энергетическим воздействиям, приводящим к сложным физико-химическим изменениям и необратимым процессам, в результате которых в конструкциях возникают повреждения и дефекты (износы, деформации, коррозия и др.). В связи с этим тракторы и их составные части в эксплуатации могут находиться в различных технических состояниях, определяемых ГОСТ 27.002—83.

Исправен, но неработоспособен: в чем парадокс технических состояний?

Исправное состояние — объект соответствует всем требованиям, установленным технической документацией.

Неисправное состояние — объект не соответствует хотя бы одному из требований, установленных технической документацией.

Нарушение исправного состояния объекта происходит вследствие возникновения события, называемого повреждением.

Работоспособное состояние — способность объекта выполнять заданные функции в пределах всех параметров, установленных технической документацией.

При неисправном состоянии объект может быть работоспособным, если возникшее повреждение не привело к изменению параметров рабочих функций объекта (например, наличие незначительной вмятины на кабине трактора, повреждение окраски и др.).

Неработоспособное состояние — несоответствие значения хотя бы одного параметра, характеризующего способность объекта выполнять заданные функции согласно требованиям технической документации.

Отказ трактора: внезапный сбой или закономерный итог?

Предельное состояние — такое состояние объекта, при котором дальнейшее применение его по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление его исправного или работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния, называется отказом. При наступлении отказа дальнейшее применение объекта по назначению становится невозможным. Различаются следующие отказы в конструкциях машин: постепенные, внезапные и независимые.

Постепенный отказ — изменение значений одного или нескольких параметров объекта, происходящее постепенно. Постепенному отказу свойственно наличие склонности или закономерности изменения заданного эксплуатационного параметра работоспособности объекта за время, предшествующее моменту возникновения отказа.

Внезапный отказ — скачкообразное изменение значений одного или нескольких параметров объекта, которому не предшествует в эксплуатации направленное изменение значений этих параметров.

Независимый отказ не обусловлен отказом другого объекта, тогда как зависимый — обусловлен.

В зависимости от происхождения отказы разделяются на конструкционные, производственные и эксплуатационные.

Конструкционный отказ — следствие несовершенства или нарушения установленных правил или норм разработки конструкций.

Производственный отказ — результат несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления или ремонта конструкции.

Эксплуатационный отказ — проявление нарушения установленных правил или условий эксплуатации конструкции.

Объект, утративший работоспособность, может восстанавливаться или не восстанавливаться, что зависит от возникшей ситуации.

Восстанавливаемый объект — предусмотренное технической документацией в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособного состояния объекта.

Невосстанавливаемый объект — восстановление работоспособного состояния объекта в рассматриваемой ситуации не предусмотрено технической документацией.

Объекты, проведение ремонтов которых предусмотрено технической документацией, называются ремонтируемыми, в противном случае — перемонтируемыми.

4 кита надежности: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость

Надежность тракторов и их составных частей является сложным свойством, которое в зависимости от назначения и условий применения объектов характеризуется безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Наработка — это продолжительность или объем работы объекта, измеряемые в часах, километрах пробега или других единицах.

Основными показателями безотказности тракторов и их составных частей являются: параметр потока отказов — число отказов, приходящихся на единицу наработки; наработка на отказ — отношение наработок восстанавливаемого объекта к числу его отказов за время этой наработки; вероятность безотказной работы — вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает.

Долговечность — свойство, обеспечивающее постоянную работоспособность до наступления предельного состояния объекта при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Показателями долговечности являются: технический ресурс — наработка объекта от начала эксплуатации (или ее возобновления после ремонта) до наступления предельного состояния; срок службы — календарная продолжительность эксплуатации объекта от ее начала (или ее возобновления после ремонта) до перехода в предельное состояние; гамма-процентный ресурс — наработка, в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью процентов. Для тракторов и их составных частей вероятность у регламентирована 80 % и такой ресурс называется 80 %-ным. Принято различать ресурсы и срок службы объектов на доремонтный, ремонтный, послеремонтный и полный (до списания объектов).

Ремонтопригодность — свойство объекта в его приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и повреждений, поддержанию и восстановлению работоспособности путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Показатели ремонтопригодности характеризуют затраты времени, труда и средств на выполнение операций технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость — свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение хранения и после него и (или) транспортирования. Сохраняемость объекта проявляется в его способности противостоять отрицательному влиянию условий применения, продолжительности хранения и транспортирования.

Основными показателями сохраняемости является средний срок сохраняемости, характеризующий продолжительность нахождения объекта в режимах хранения или транспортирования, за время которых изменение значений показателей безотказности, ремонтопригодности и долговечности не выходит за установленные пределы допустимых значений. Сохраняемость объекта в период эксплуатации является по времени составной частью его срока службы.

Для оценки надежности тракторов, наряду с ранее указанными показателями, применяются некоторые комплексные показатели: коэффициент готовности — вероятность нахождения объекта в работоспособном состояния в произвольный момент времени за исключением перерывов, в течение которых использовать объекты по назначению не предусматривается; коэффициент технического использования — отношение времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к сумме времени нахождения объекта в работоспособном состоянии, простоев на техническом обслуживании и ремонтов.

Что на самом деле «убивает» детали трактора: обратимые и необратимые процессы

Доминирующим фактом, определяющим техническое состояние тракторов, агрегатов и узлов, является надежность деталей машин. В период эксплуатации детали тракторов работают в различных сложных условиях нагрузки и находятся под воздействием разнообразных физических явлений и процессов изнашивания, приводящих к изменению состояния поверхностей деталей. В зависимости от последствий проявление указанных воздействий целесообразно разделить на две категории.

Обратимые процессы не вызывают ухудшения рабочих функций деталей и составных частей машин и не приводят при прекращении их действия к изменению технического состояния деталей и сборочных частей тракторов. Пример таких процессов — упругая деформация деталей, узлов, агрегатов.

Необратимые процессы вызывают остаточные изменения у деталей и имеют тенденцию к накоплению неблагоприятных изменений свойств и состояния поверхностей деталей, приводящих в некоторый момент к прогрессирующему ухудшению рабочих функций деталей, резкому понижению эксплуатационных параметров узлов, агрегатов и возникновению их отказов. Такими наиболее характерными для отказов деталей в конструкциях тракторов процессами являются изнашивание, коррозия, усталость, перераспределение остаточных напряжений, коробление и другие процессы.

В период эксплуатации более 80 % деталей тракторов теряют свою работоспособность вследствие внешнего трения и возникающих при этом разнообразных процессов изнашивания, знание закономерностей которых позволяет снижать интенсивность повреждающего воздействия этих процессов, своевременно назначать соответствующие ремонтные операции для возобновления работоспособности деталей и сборочных единиц тракторов и предупреждать аварийное их разрушение.

В отдельных случаях у деталей тракторов обнаруживаются непрогнозируемые значительные остаточные деформации, разнообразные по своему характеру трещины, отколы, поломки и другие недопустимые повреждения и дефекты, возникающие вследствие просчетов при конструировании, несоблюдения технологии изготовления и ремонта, нарушения условий эксплуатации тракторов и их составных частей.

Термины и определения основных понятий по трению, изнашиванию и смазке приводятся в ГОСТ 23.002—78.

Трение и износ: невидимая война на поверхности деталей

Внешнее трение — явление, проявляющееся в сопротивлении относительному перемещению, возникающему между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией энергии.

Изнашивание — процесс постепенного разрушения и отделения материала с поверхности детали при трении, сопровождающийся накоплением в поверхностном слое материала остаточной деформации и изменением размеров и формы детали.

Износ — это результат изнашивания, определяемый в установленных единицах длины, объема, массы и др.

При трении и изнашивании возникает ряд явлений и процессов, повреждающих и разрушающих материалы поверхностей деталей.

Схватывание при трении — явление местного соединения материалов сопряженных поверхностей вследствие взаимодействия молекулярных сил при трении.

Перенос металла — явление, состоящее в местном соединении материалов сопряженных поверхностей, последующем его отрыве и переходе материала на другую поверхность.

Заедание — процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала.

Задир — повреждение поверхности трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения.

Царапание — образование углублений на поверхности трения в направлении скольжения при воздействии выступов твердого тела или твердых частиц.

Отслаивание — отделение с поверхности трения материала в форме чешуек при усталостном изнашивании.

Выкрашивание — отделение с поверхности трения материала при усталостном изнашивании, приводящее к образованию ямок на поверхности трения.

Приработка — процесс изменения геометрии поверхностей трения и физико-химических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, проявляющийся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания.

Работа деталей машин происходит при различных видах внешнего трения, которые классифицируются по особенностям относительного движения и наличию смазочного материала на поверхностях трения (табл. 1.1. Классификация видов трения).

Каким бывает трение? Главная таблица для понимания износа

Классификация видов трения

Признак классификации	Вид трения
Наличие относительного движения	Трение покоя; трение движения
Характер относительного движения	Трение скольжения; трение качения
Наличие смазочного материала	Трение без смазочного материала
То же	Трение со смазочным материалом

В ряде случаев трение качения и трение скольжения протекают совместно, как например в зубчатых и зубчато-винтовых передачах. При этом качение сопровождается проскальзыванием поверхностей.

Сухое трение против жидкостного: как смазка спасает детали от гибели

Трение без смазочного материала происходит на поверхностях при отсутствии введенного смазочного материала любого вида и сопровождается пластическим деформированием и структурными изменениями поверхностных слоев трущихся материалов с выделением значительного количества теплоты, нагревающей до высоких температур контактирующие зоны. Это приводит к схватыванию, разрушению и отслаиванию или переносу материала с одной поверхности на другую и, при определенных условиях, возникновению интенсивного износа и даже заедания трущихся деталей (Рис. 1.1).

Разделение трущихся поверхностей газовым, жидким или твердым смазочным материалом существенно изменяет особенности внешнего трения и резко уменьшает коэффициент трения и износ деталей.

Детали тракторов в основном смазываются жидкими минеральными маслами, которые могут разделять трущиеся поверхности в зависимости от условий их работы, граничным, полужидким или жидкостным (гидродинамическим) слоем смазочного материала.

Трение при граничной смазке характеризуется особым состоянием тонкого (до 0,1 мкм) слоя смазочного материала на поверхности детали. Он состоит из поверхностноактивных (полярных) молекул, которые способны адсорбироваться металлической поверхностью детали и создавать на ней разделяющий детали граничный слой смазочного материала, резко понижающий коэффициент трения и обладающий прочностью при смятии в сотни мегапаскаль.

Способность масел к образованию граничного слоя с особыми свойствами называется маслянистостью, которая оценивается коэффициентом трения. Чем меньше коэффициент трения, тем выше маслянистость смазочного масла.

Трущиеся поверхности имеют шероховатости, представляющие собой чередующиеся впадины и выступы. Соприкосновение таких поверхностей (Рис. 1.2) происходит по вершинам выступов с малой площадью и большими контактными напряжениями сжатия, которые могут превосходить прочность граничного слоя смазочного материала и продавливать его.

В неблагоприятных условиях, например при высокой нагрузке на детали, данный вид трения может сопровождаться пластической деформацией и внедрением одной поверхности в другую, пропахиванием ее с возникновением схватывания, отрыва или переноса частиц металла с одной поверхности на другую, что интенсифицирует изнашивание трущихся поверхностей.

Трение при полужидкостной смазке имеет место на поверхностях, когда площади их контакта с очень малым зазором разделяет граничный слой смазочного материала, а в зонах с существенна большими зазорами образуется перетекающий слой смазочного материала, в котором при определенных условиях возникает гидродинамическое давление, стремящееся разобщить поверхности трения. При этом на поверхностях между участками контакта с граничным слоем смазочного материала имеющиеся сужения и расширения зазора образуют микрополости в виде гидродинамических масляных микроклиньев (Рис. 1.3), действие которых начинает проявляться при самой малой скорости перемещения деталей.

Трение при жидкостной смазке характеризуется тем, что контактирующие поверхности при относительном движении деталей полностью разделены жидким слоем смазочного материала, в котором благодаря особым его объемным свойствам образуется гидродинамическое давление, уравновешивающее внешнюю нагрузку на детали. Гидродинамическое давление в слое смазочного материала создается при относительном перемещении трущихся поверхностей, имеющих клиновидный зазор, в который силами вязкого трения вовлекается смазочный материал. Перемещающаяся с достаточной скоростью деталь под воздействием давления масляного клина приподнимается, образуя в зоне контакта с сопрягаемой деталью минимальный зазор с гидродинамической смазкой, слои которой при расположении от поверхности трения более чем на 0,5 мкм способны свободно перемещаться один относительно другого, преодолевая сопротивление вязкого трения жидкого смазочного материала. Применение жидкостной смазки трущихся поверхностей обеспечивает малый коэффициент трения и практическое отсутствие износа деталей. Для обеспечения жидкостной смазкой шероховатых поверхностей деталей необходимо, чтобы минимальный зазор между поверхностями был не менее суммы средних высот неровностей этих поверхностей.

При работе сопряжений типа вал — подшипник условия формирования жидкостной смазки могут быть нарушены из-за увеличения диаметрального зазора в сопряжении деталей выше предельных значений и искажения их геометрической формы, возникших вследствие, износа, перекоса этих деталей при сборке, наличия канавки на поверхности подшипника, уменьшения вязкости смазочного материала, резкого падения скорости относительного перемещения и увеличения нагрузки и др. По этим причинам происходит существенное снижение гидродинамического давления смазочного материала и уменьшение минимального зазора в сопряжении деталей до значений, соответствующих условиям трения при полужидкостной или граничной смазке, существенно повышающих износ трущихся поверхностей деталей (Рис. 1.4).

Виды изнашивания: от абразива до усталости металла

Изнашивание деталей в различных условиях их работы проявляется в сочетании разрушающих материал поверхностей трения процессов, один или несколько из которых имеют наибольшую интенсивность и соответствующие особенности.

Различают три, существенно отличающиеся по своим особенностям, группы видов изнашивания деталей машин: коррозионно-механическое, механическое и изнашивание при действии электрического тока, которые включат соответствующие им виды изнашивания, характеризуемые присущими этим видам особенностями разрушения материала поверхностного слоя деталей.

Ржавеет и стирается: что такое коррозионно-механический износ?

Коррозионно-механическое изнашивание возникает в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрохимическим взаимодействием со средой, и подразделяется на следующие виды: окислительное и изнашивание при фреттинг-коррозии.

Окислительное изнашивание, имеющее самое широкое распространение, проявляется в химической реакции материала с кислородом или окислительной средой и образовании пленки окислов, удаляемых с поверхностей трения механическим взаимодействием.

Интенсивность данного вида изнашивания существенно возрастает при взаимодействии поверхностей трения с коррозионной средой, что имеет место, например, в сопряженных деталях цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания. Гильзы цилиндров и поршневые кольца изготавливаются из серого чугуна и при наличии электролита на поверхностях, образующегося из поступающего воздуха в виде конденсата водяного пара, создают гальванические пары как между собой, так и между структурными составляющими чугуна — перлитом, графитом, фосфидной эвтектикой и в структуре перлита — между цементитом и ферритом. Сгорание рабочей смеси в цилиндрах двигателя приводит к образованию небольших количеств оксидов углерода, серы, азота, которые при взаимодействии с водяным паром дают кислоты — угольную, серную, сернистую, азотную .и азотистую. Значительное количество этих соединений удаляется из цилиндров с отработанными газами. Однако чем меньше прогрет двигатель и, следовательно, ниже температура стенок цилиндров, тем больше концентрация указанных кислот в конденсате водяного пара на поверхностях деталей цилиндро-поршневой группы, что интенсифицирует коррозионный процесс и увеличивает износ трущихся поверхностей. В связи с этим износ деталей цилиндро-поршневой группы при работе непрогретого двигателя увеличивается на 25—30 %.

Изнашивание при фреттинг-коррозии имеет место на соприкасающихся поверхностях с малым относительным Перемещением при колебательном движении и наблюдается в посадочных поверхностях подшипников, валов, шестерен, шлицевых валов, болтовых и заклепочных соединениях рам и у других деталей, работающих в указанных условиях (Рис. 1.5).

Механический износ: 7 главных врагов металла (абразив, кавитация, усталость)

Механическое изнашивание происходит в результате разнообразного по своей природе механического воздействия трущихся поверхностей и в зависимости от особенностей этого взаимодействия подразделяется на ряд видов.

Абразивное изнашивание — разрушение материала поверхностного слоя детали в основном из-за режущего или царапающего действия твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Данный вид изнашивания может протекать с большой интенсивностью и широко распространен у деталей машин вследствие возможного проникновения на трущиеся поверхности абразивных частиц из окружающей среды или образования их в виде продуктов износа трущихся материалов. Интенсивность абразивного изнашивания деталей зависит от ряда факторов: физико-механических свойств поверхностного слоя материала детали, режущих свойств и концентрации абразивных частиц, контактного давления и скорости относительного перемещения трущихся поверхностей. С увеличением параметров указанных факторов износ деталей увеличивается. Наиболее сильному абразивному изнашиванию подвержены детали тракторов, работающие в непосредственном соприкосновении с абразивной средой: детали гусеничного полотна, опорные катки и поддерживающие гусеничное полотно ролики, ведущие и направляющие колеса и др. (Рис. 1.6).

Гидро- и газоабразивное изнашивание — абразивное разрушение материала детали в результате действия твердых частиц, взвешенных в жидкости (газе), перемещающихся относительно изнашиваемой поверхности детали.

Интенсивность данного вида изнашивания зависит от физико-механических свойств материала детали, массы абразивных частиц, их скорости, абразивных свойств и проявляется в процессах упругопластического деформирования поверхностного слоя материала, в перенаклепе этого слоя с последующим хрупким разрушением и отслаиванием материала с поверхности детали в виде чешуек. Наличие влаги или агрессивной газовой среды значительно усиливает износ деталей. У тракторов гидро-абразивному изнашиванию подвержены детали сопряжения плунжер — гильза топливных насосов и др., газоабразивному — впускные и выпускные клапаны двигателей.

Кавитационное изнашивание — гидроэрозионное изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости (и наоборот), при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, создавая тем самым местное повышенное давление.

Под кавитацией понимают явление образования в движущемся потоке жидкости пустот в виде мелких пузырей, заполненных парами, воздухом или газами, растворенными в жидкости. При встрече детали с потоком жидкости, захлопывающиеся на поверхности детали кавитационные пузырьки создают микроскопические гидравлические удары, под многократным воздействием которых поверхностный слой металла перенаклепывается, разупрочняется с образованием очагов разрушения в виде микротрещин. Разрушению подвергается прежде всего менее прочная структура металла: в сталях — феррит, в чугунах — графитовые включения. Разрушение может развиваться как в пределах зерен металла, так и по их границам, что зависит от соотношения их прочности. После разрушения менее прочной составляющей структуры металла происходит выкрашивание и более прочной структуры.

Труднообтекаемая форма и неровность поверхности детали способствует возникновению и усилению кавитационного изнашивания, которое может быть чрезвычайно интенсивным. Например, у двигателей внутреннего сгорания (СМД-14, ЯМЗ-238НБ и др.) наблюдается местное кавитационное изнашивание наружных поверхностей гильз цилиндров и поверхностей сопряжения их с блоком по нижнему пояску, износ которого в десятки раз превосходит износ зеркала цилиндров.

Кавитационная стойкость сталей повышается с увеличением содержания углерода, легирования сталей, закалки ТВЧ, цементации и др.

Усталостное изнашивание — результат усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала и поверхностного слоя детали. Данный процесс изнашивания наступает через определенное время, зависящее от физико-механических свойств материала, действующих нагрузок, условий работы детали и характеризуется следующими периодами изменения свойств поверхностного слоя детали под действием сил трения. В начальный период в материале поверхностного слоя происходит накопление упругопластической деформации, способствующей все возрастающему упрочнению материала. В дальнейшем при действии значительных контактных напряжений происходит исчерпание пластических свойств материала, вследствие чего возникает период последовательного развития разупрочнения материала, в котором со временем в кристаллических структурах наименьшей прочности образуются поверхностные субмикротрещины и в зонах их расположения за счет концентрации значительно возрастают действующие напряжения. Это приводит к быстрому росту микротрещин, их смыканию и возникновению множественного локального разрушения и отделения частиц материала с поверхности слоя детали. В результате на поверхности трения в зонах износа образуются многочисленные мелкие ямки, иногда и более развитые в виде каверны, приводящие к возникновению выкрашивания материала (питтингу) (Рис. 1.7).

Наиболее часто данный вид изнашивания возникает у деталей, имеющих сосредоточенный контакт поверхностей трения, например на беговых дорожках шарико- и роликовых подшипников, зубьях шестерен и др. (Рис. 1.8).

Изнашивание при фреттинге — механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях поверхностей. Данный процесс изнашивания в отличие от распространенной его разновидности — фреттинг-коррозии протекает при отсутствии коррозионной среды, которая в значительной мере интенсифицирует процесс изнашивания трущихся повер хностей деталей.

Заедание и схватывание: почему детали «слипаются» и выходят из строя

Изнашивание при заедании — результат схватывания и глубинного вырывания металла, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность. Этот вид изнашивания широко распространен и наблюдается на поверхностях трения в соединениях деталей, у которых взаимодействие контактирующих поверхностей происходит при определенных условиях, способствующих возникновению на площадях контакта металлических связей между металлами, что называется схватыванием.

Для соединения металлов схватыванием необходимо чтобы поверхности контакта были свободны от оксидов и других загрязнений. При трении могут возникать благоприятные для схватывания металлов условия, которые характеризуются соотношением механических свойств образующейся на контакте пленки и металла поверхностного слоя детали. Если твердость пленки выше твердости металла в контакте, то действующая нагрузка при трении деформирует металл и покрывающая его пленка разрывается на отдельные части, обнажая чистую поверхность металла, в зонах которого и происходит схватывание. Если твердость пленки меньше твердости металла, то в этом случае пленка свободно деформируется без разрушения и схватывания не происходит.

Процесс схватывания между контактирующими металлами активизируется с повышением температуры и контактных напряжений. Перенос металла с одной поверхности на другую при схватывании зависит от конструкции деталей, свойств их материалов, образующихся пленок и смазки, режимов трения и может происходить в виде субмикроскопических частиц с массой порядка 10”10 г, несущественно повреждая поверхности деталей и не вызывая катастрофического их износа. Однако при условиях, способствующих развитию данного процесса, схватывание происходит на все возрастающем числе контактных площадок с увеличением объемов отделяющихся частиц металла и образования наростов, задиров, глубоких борозд с неровными краями и следами оплавления, сопровождаясь значительным нагревом деталей, что может привести к катастрофическому износу и заклиниванию деталей (Рис. 1.9).

Изнашивание при заедании встречается в тяжелонагруженных подшипниках скольжения, реже — в подшипниках качения, зубчатых зацеплениях при значительных крутящих моментах, золотниковых парах, шарнирных соединениях, в деталях цилиндро-поршневои группы и др. В большинстве случаев изнашивание деталей при заедании возникает из-за нарушения правил эксплуатации, низкого качества ремонта тракторов и является недопустимым вследствие катастрофического повреждения деталей и возникновения по этой причине аварий узлов и агрегатов тракторов.

Эрозионное (гидро-газоэрозионное) изнашивание — результат механического воздействия потока жидкости или газа на поверхности детали. Эрозионное изнашивание происходит при воздействии высокоскоростного потока жидкости или газа вследствие трения потока и его ударов о поверхность детали, в результате чего понижается прочность отдельных объемов материала в поверхностном слое и возникает отделение группы зерен металла путем их отрыва. Эрозионное изнашивание гладких поверхностей происходит медленно, но с возникновением пораженных зон резко усиливается, что объясняется хрупкостью этих поверхностей, возрастанием ударного действия потока из-за большого вихреобразования. Разрушение от эрозионного изнашивания при действии потока жидкости часто наблюдается на отсечных кромках плунжерных пар и золотников гидрораспределителей. Разрушение от эрозионного изнашивания при действии потока газа резко возрастает с повышением температуры и наблюдается, например, на недостаточно приработанных поршневых кольцах в зоне неприкасания их к зеркалу цилиндра, где возникают прорывы газов и интенсивный местный нагрев рабочей поверхности колец, на рабочих фасках клапанов и их седлах в головке блока двигателя.

Изнашивание под током: как электричество разрушает металл

Изнашивание деталей, находящихся под электрическим напряжением, возникает при воздействии на их поверхности разрядов электрического тока, вследствие чего при определенных условиях происходит особый вид эрозионного разрушения материала.

Электроэрозионное изнашивание — эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока. Данному виду изнашивания подвержены коммутирующие электрические контакты, например контакты реле-регуляторов, между поверхностями которых в процессе работы возникает искровой разряд. При электрической эрозии контактов происходит частичный перенос металла с одного контакта на другой и распыление металла в окружающую среду (Рис. 1.10).

Неисправности тракторов и их составных частей часто происходят из-за коррозии металлических материалов.

Химическая и электрохимическая коррозия: как ржавчина съедает ваш трактор

Коррозия — разрушение металлов в результате химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. Способность металлов противостоять коррозионному разрушению называется коррозионной стойкостью. Коррозию разделяют на типы, характеризующие взаимодействие металла со средой, и виды, обусловливающие ее протекание и особенности коррозионного разрушения. По механизму коррозионного процесса выделяют два типа коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия — процесс взаимодействия металла с электропроводящей средой. При данном типе коррозии металлы и сплавы разрушаются без воздействия электрического тока. Такая коррозия возникает при взаимодействии металла с кислородом, сильно активизируясь при повышенных температурах, а также при наличии галогенов, сероводорода, сернистого газа и т. д. Она может возникать в жидкостях, не проводящих электрический ток, если в этих средах имеются продукты, химически взаимодействующие с данным металлом, например в обезвоженной нефти и продуктах ее переработки, в которых имеются серосодержащие вещества.

Электрохимическая коррозия — процесс взаимодействия металлов с электролитами (водой или водными растворами кислот, щелочей или неводными электролитами). Этот тип коррозии является наиболее распространенным. В этом случае разрушение металла связано с возникновением и протеканием электрического тока с одних участков металла на другие.

Предохранение металлических поверхностей деталей тракторов от коррозионного разрушения производится с помощью различных защитных покрытий. В период эксплуатации тракторов коррозионная защита более 80 % деталей осуществляется лакокрасочными покрытиями. Для отдельных деталей с этой целью применяются металлопокрытия из таких металлов, как цинк (крепежные резьбовые детали), олово, медь, никель, хром и др.

При хранении тракторов наружные и внутренние поверхности деталей защищаются различными составами консервационных смазок.

Трещины и деформации: где в детали скрываются самые опасные напряжения?

Деформации, трещины, поломки деталей — нередко встречающиеся дефекты деталей тракторов, возникающие из-за действия механических и тепловых нагрузок, часто в сочетании с остаточными напряжениями, сосредоточенными в объемах деталей, приводящими совместно к высоким статическим и повторно-переменным нагрузкам растяжения, изгиба и кручения.

Большинство деталей тракторов имеют неоднородные по конструкции поверхности, несущие отверстия, канавки, выточки, резьбу, галтели и т. д.

У нагруженных деталей в зонах такого изменения поверхностей происходит значительное возрастание напряжений, которые могут по своей величине в несколько раз превосходить уровень номинальных напряжений. Такие зоны поверхностей деталей называются концентраторами напряжений (Рис. 1.11).

Концентраторами напряжений являются также дефекты, нарушающие сплошность материала деталей, которые встречаются в виде пор, флокенов, раковин, неметаллических включений, скрытых под поверхностью микротрещин и т. д. Наиболее сильными концентраторами напряжений являются риски, задиры, коррозионные повреждения, неметаллические включения, технологические и эксплуатационные трещины.

Зоны расположения концентраторов напряжений образуют на поверхностях деталей опасные сечения, по которым у нагруженных деталей, как правило, и происходит разрушение. Концентраторы напряжений в значительной мере способны понижать несущую способность деталей, работающих в условиях переменных и ударных нагрузок.

Такие дефекты, как остаточный изгиб и скручивание, часто встречающиеся у деталей типа валов, осей, шатунов, балок, лонжеронов и т. д., образуются вследствие накопленной упругопластической деформации, возникающей в результате перегрузки деталей статической или динамической нагрузкой. Корпусные детали в виде блоков, коробок, картеров, кожухов, изготовляемые методом литья, при ремонте тракторов часто располагают сложной остаточной деформацией, называемой короблением. При такой деформации нарушается плоскостность привалочных поверхностей, возникает несоосность отверстий и изменяется их геометрическая форма. Корпусные детали являются базовыми, формирующими детали в узлы и агрегаты. В связи с этим наличие таких дефектов у корпусных деталей приводит к повышению нагрузок в их сопряжениях и быстрому их износу в узлах и агрегатах тракторов.

Коробление корпусных деталей происходит в основном в результате перераспределения и понижения уровня неравномерно сосредоточенных в объемах материала деталей остаточных напряжений, чему в значительной мере способствуют механические нагрузки на детали в период эксплуатации тракторов.

Разрушение деталей и отломы их частей при статических нагрузках происходят крайне редко и причина таких разрушений связана с аварийным отказом.

Между тем такие детали, как пружины, рессоры, зубья шестерен, коленчатые валы, поворотные цапфы, полуоси и т. д., несущие переменные нагрузки, иногда разрушаются вследствие усталости металла.

Усталость металла: как деталь ломается «от усталости» без перегрузок

Усталость — это процесс постепенного накопления повреждения материала под действием переменных напряжений, приводящих к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению (ГОСТ 23207—78).

Усталостное разрушение деталей происходит при напряжениях, находящихся ниже предела текучести материала. Поэтому важным свойством материалов является их возможность противостоять усталостному разрушению. Однако усталостная прочность зависит как от свойств материалов, так и в значительной мере от особенностей концентраторов напряжений и остаточных напряжений в поверхностном слое деталей, определяющих предел их выносливости. Концентраторы напряжений и растягивающие остаточные напряжения в поверхностном слое материалов могут резко понижать предел выносливости и являются основной причиной разрушения деталей.

Предел выносливости — это максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостного разрушения до базы испытаний.

База испытаний при определении предела выносливости металлов, представляющих различные стали и чугуны, принимается равной 10·10^-6 циклов нагружения (ГОСТ 25.502—79*).

Стареют не только люди: как материалы деталей теряют свои свойства

Изменение свойств материалов — следствие физических процессов их старения, которые приводят к возникновению неисправностей у ряда деталей тракторов.

Уплотнительные детали — сальники, манжеты, прокладки под воздействием механических, тепловых и других процессов с течением времени изменяют структуру материала, теряют упругие свойства, размеры; образуют трещины, разрывы. В результате работоспособность этих деталей исчерпывается.

Роторы магнето, генераторы переменного тока и другие намагниченные детали в период эксплуатации могут переходить в неработоспособное состояние, утрачивая свои первоначальные указанные свойства в результате воздействия нагрева, вибрационных нагрузок и др.

Пружины, рессоры, торсионные валы под действием длительной нагрузки изменяют свое состояние из-за накапливающихся у этих деталей упругопластических последствий и релаксации напряжений, возникающих по причине несовершенства кристаллического строения их материала. В результате происходит недопустимая усадка пружин, большой прогиб рессор и скручивание торсионных валов, в связи с чем детали теряют свою работоспособность.

Головки цилиндров двигателей, выпускные клапаны, форкамеры, поршни, выпускные коллекторы и т. д. — это детали, работающие в условиях повышенных температур, значение которых по величине и распределению по поверхностям и сечениям деталей имеет свои особенности. Вследствие этого у деталей одновременно с напряжениями от механических нагрузок возникают термические напряжения. Нагрев деталей выше 350 °C существенно понижает физико-механические свойства их материалов. У некоторых деталей может происходить значительный перегрев поверхностей, приводящий к изменению структуры материала и более сложным повреждениям. Например, на днищах поршней могут возникнуть сквозные прогары, впускные клапаны — иметь обрывы головок или оплавление их кромок, головки цилиндров — поверхностные прогары в зоне цилиндров и от действия термоциклических напряжений — трещины в перемычках седел клапанов и т. д.

Нагар и накипь: тихие убийцы двигателя и системы охлаждения

Образование отложений на поверхностях деталей может нарушать их нормальную работу и способствовать возникновению существенных повреждений. Характерными для ряда тракторных деталей являются углеродистые отложения, представляющие собой продукты разложения масел, топлива и отложения из воды в виде накипи.

Углеродистые отложения — это нагар и асфальтосмолистые вещества.

Нагар является твердым углеродистым веществом, скапливающимся на деталях двигателей: клапанах газораспределения, внутренних проемах седел клапанов, выпускных окнах головок цилиндров, днищах поршней, свечах, распылителях форсунок и т. д. Отложение нагара на деталях приводит к различным вредным последствиям — перегреву деталей из-за низкой теплопроводности (в 50—100 раз меньшей, чем у металлов), ухудшению наполнения цилиндров и очистки их от отработавших газов, нарушению работы искровых свечей, форсунок, повышению износа трущихся деталей в результате абразивного изнашивания и т. д.

Асфальтосмолистые отложения — это мазеобразные продукты, которые откладываются на стенках картеров, фильтрах, маслопроводах и каналах смазки, в канавках поршневых колец (совместно с нагаром способствуют залеганию колец), поршнях, коромыслах и т. д.

Накипь — это твердое вещество, образующееся на поверхностях деталей системы водяного охлаждения двигателей внутреннего сгорания. Накипь состоит из малорастворимых в воде солей, в основном карбонатного и силикатного происхождения (СаСО₃, MgCO₃, CaSO₄, MgSO₄, CaSiO₃ и механических примесей, находящихся в воде. Отложение на деталях накипи, имеющей низкую теплопроводность, существенно ухудшает их охлаждение и приводит к перегреву, а также способствует интенсивному развитию коррозионного разрушения металлических поверхностей деталей.

Итог износа: 4 ключевых нарушения в узлах и агрегатах трактора

Неисправности сборочных единиц тракторов, зависящие от степени повреждения деталей и качества ремонта, проявляются следующими нарушениями их технического состояния.

Нарушение жесткости соединений является следствием ослабления крепления деталей, что приводит к потере герметичности, прочности и характера связей соединений, усилению износа, росту динамических нагрузок, разрушению деталей и др.

Нарушение характера соединений вызывает увеличение свободного хода, зазора в подвижных соединениях (появление зазора в неподвижных соединениях), повышение нагрузок, уровня звука, значительный нагрев деталей и т. д.

Нарушение физического контакта соединений приводит к росту нагрузок и концентрации напряжений, самовыключению передач в подвижных зубчатых зацеплениях, изменению характера процессов изнашивания поверхностей, появлению резко выраженных местных износов и разрушений в виде отломов, скалывания, выкрашивания (питтинга), задиров и т. д.

Нарушение уравновешенности проявляется в возрастании шума, ударов, вибрации, усилении местного износа й разрушения поверхностей деталей и др.