Министерство образования и науки Украины Донецкий государственный университет экономики и торговли

Министерство образования и науки Украины
Донецкий государственный университет экономики и торговли
им. Туган - Барановского
Кафедра холодильной и торговой техники
“Надёжность технологического оборудования”
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Донецк – 2006
1
СОДЕРЖАНИЕ
Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………..3
Лекция 2. СМАЗАЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ…………………………………...9
Лекция 3. КОНСТРУИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И
НАДЕЖНОСТЬ…………………………………………………….. 25
Лекция. 4 ПУПИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ДЕТАЛЕЙ,
УЗЛОВ И СИСТЕМ В ПРОЦЕССЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ…………51
Лекция 5. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА И ИСПЫТАНИЕ
МЕХАНИЗМОВ………………………………………………….85
2
Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ
ПЛАН
1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
2. ДЕФЕКТЫ, ПОВРЕЖДЕНИЯ, ОТКАЗЫ
3. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ
1.
2.
3.
4.
Литература
Базовский.И. Надежность. Теория и практика. Пер. с англ. -М. «Мир»,
1975. – 388 с.
Справочник по надежности. Пер. с англ.Т. I, II, III. -М.: «Мир», 1970.472 с.
Надежность и эффективность в технике: Справочник : В 10-ти т.- М.:
Машиностроение, 1986.Т.1.- 278 с.
Козлов Б., Ушаков И. Справочник по расчету надежности. -М: «Колос», 1974.- 368 с.
1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ. На предприятиях пищевой промышленности используется широкая гамма разного холодильного торгового оборудования. Неправильная эксплуатация оборудования приводит к значительному сносу машин. Его величина достигает более 50% относительно других причин сноса. В
Англии, например, подсчитано, что вследствие неправильной работы узлов
трения в машинах, страна ежегодно теряет более 5 млн. фунтов стерлингов, в
США этот убыток составляет 6 млр., долларов.
В современных условиях, когда на первый план развития экономики
страны выходят рыночное отношение, инженеру-механику высокой квалификации мало хорошо знать строение, принцип действия и техническую характеристику оснащения, которые выпускается и эксплуатируется. Он должен быть
способным даты пути повышения качества и надежности в эксплуатации разнообразных типов оснащения, обнаружить наиболее прогрессивные образцы,
дать общие рекомендации относительно организации производства и разработке новых конкурентоспособных моделей.
Изменения в механических системах при их работе, приводящие, в конечном счете, к утрате работоспособности, представляют собой процессы, протекающие во времени. Вполне исправные машины, не используемые по какимлибо причинам, также теряют со временем работоспособность. Коррозия отдельных деталей, особенно їв местах их сопряжении, остаточные деформации,
возникающие под действием собственного веса, и изменения первоначальной
формы деталей под влиянием внутренних остаточных напряжений сопутствуют
физическому износу бездействующей машины. Поэтому простаивающие длительное время машины часто запускают в работу только после ремонта или дополнительной регулировки.
Основные причины потери работоспособности машин, находящихся в
эксплуатации, следующие:
3
поломки деталей из-за усталостных явлений, возникающих под действием нагрузки;
изменения размеров деталей в подвижных сопряжениях вследствие износа;
заклинивания сопрягающихся подвижных соединений; поломки деталей
под влиянием пиковых нагрузок;
отказ отдельных деталей и механизмов, вследствие поломок из-за суммарного влияния внешних условий, износа и усталости.
Процессы утраты механическими системами работоспособности носят
случайный характер. Эта случайность обусловлена обычно одним из следующих двух факторов:
реальная механическая система работает в условиях случайных колебаний действующих нагрузок, температур и т. п.;
даже при полном постоянстве внешних причин, влияющих на работоспособность системы, изменения, происходящие внутри металла или в сопряжениях, являются случайными.
При испытаниях на усталостную прочность и износ наблюдается значительный разброс результатов. Часть рассеяния вызывается различием свойств
металла разных плавок или применением различных процессов изготовления
полуфабрикатов
Надежность, свойство объекта сохранять во времени в установленных
пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять
требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического
обслуживания, хранения и транспортирования.
Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от
назначения объекта и условий его применения может включать безотказность,
долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.
Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.
Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние
до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта,
Ремонтопригодность. Свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем
технического обслуживания и ремонта.
Сохраняемость - свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые
функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.
Любое оборудование может находится как в исправном, так и в неисправном состояниях. Под исправным состоянием объекта понимают состояние
при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и
(или) конструкторской (проектной) документации. В случае если объект не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или)
4
конструкторской (проектной) документации, то такое состояние называют не
исправным.
Любая машина или аппарат могут быть в работоспособном и неработоспособном состояниях. Состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствующие требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской
(проектной) документации – работоспособное. В противном случае наоборот.
Предельное состояние. Состояние объекта, при котором его дальнейшая
эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.
2. ДЕФЕКТЫ, ПОВРЕЖДЕНИЯ, ОТКАЗЫ. При эксплуатации оборудования возникают различного рода повреждения. Под повреждением понимают
событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния. Любое повреждение может привести к
отказу оборудования. Причинами отказа могут быть процессы, события и состояния, вызвавшие возникновение отказа объекта.
Отказы подразделяются на ресурсные, независимые, зависимые, внезапные и постепенные. Ресурсный отказ возникает когда объект достигает предельного состояния.
Независимый отказ не обусловлен другими отказами, зависимый наоборот.
Внезапный отказ связан с характеризующимися скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта, а постепенный возникающий в результате постепенного изменения значений.
Отказ может привести к сбою оборудования. Сбой - самоустраняющийся
отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством
оператора.
Кроме того, отказы бывают явными, скрытыми, конструктивными, производственными, эксплуатационными и деградационными.
Явный отказ. Отказ, обнаруживаемый визуально ила штатными методами
и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению
Скрытый отказ. Отказ, не обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования, но выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностики.
Конструктивный отказ. Отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и (или) норм проектирования и конструирования.
Производственный отказ. Отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или
ремонта, выполняемого на ремонтном предприятии.
Эксплуатационный отказ. Отказ, возникший по причине, связанной с
нарушением установленных, правил и (или) условий эксплуатации.
Деградационный отказ. Отказ, обусловленный естественными процессами старения, изнашивания, коррозии или усталости при соблюдении всех
5
установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления в эксплуатации.
Продолжительность или объем работы объекта характеризуются наработкой оборудования. Наработка может быть как непрерывной величиной (продолжительность работы в часах, километраж пробега и т. п.), так и целочисленной величиной (число рабочих циклов, запусков и т. п.).
Наработка бывает до отказа и между ними. Наработка объекта до отказа
это период от начала эксплуатации до возникновения первого отказа. А наработка между отказами - наработка объекта от окончания восстановления его работоспособного состояния после отказа до возникновения следующего отказа
Любое оборудования характеризуется сроками службы и сохраняимости.
Под сроком службы понимают - календарную продолжительность эксплуатации
от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.
Срок сохраняемости. Календарная продолжительность хранения и (или)
транспортирования объекта, в течение которой сохраняются в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять заданные функции. По истечении срока сохраняемости объект должен соответствовать требованиям безотказности, долговечности и ремонтопригодности,
установленным нормативно-технической документацией на объект.
Назначенный сроки службы и хранения. Назначенный сроки службы суммарная продолжительность при достижении которой эксплуатация объекта
должна быть прекращена независимо от его состояния. В свою очередь назначенный срок хранения - календарная продолжительность хранения, при достижении которой хранение объекта должно быть прекращено независимо от его
технического состояния.
По истечении назначенного ресурса (срока службы, срока хранения) объект должен быть изъят из эксплуатации и должно быть принято решение,
предусмотренное соответствующей нормативно-технической документацией направление в ремонт, списание, уничтожение, проверка и установление нового
назначенного срока и т. д.
3. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ. Показатель
надежности - количественная характеристика одного или нескольких свойств,
составляющих надежность объекта. Показатели определяются расчётным и
экспериментальным путями.
Среднее время восстановления и трудоёмкость работ. Среднее время восстановления - математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния объекта после отказа. Средняя трудоемкость восстановления
в сою очередь - математическое ожидание трудоемкости восстановления объекта после отказа.
Затраты времени и труда на проведение технического обслуживания и
ремонтов с учетом конструктивных особенностей объекта, его технического
состояния и условий эксплуатации характеризуются оперативными показателями ремонтопригодности.
6
Любое оборудование характеризуется коэффициентами готовности, оперативной готовности и технического использования.
Коэффициент готовности. Вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не
предусматривается
Коэффициент оперативной готовности. Вероятность того, что объект
окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается, и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени
Коэффициент технического использования. Отношение математического
ожидания суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период
В нормативно-технической документации и (или) конструкторской (проектной) документации приводятся количественных и качественных требований
к надежности. Нормирование надежности включает выбор номенклатуры нормируемых показателей надежности; технико-экономические обоснование значений показателей надежности объекта и его составных частей; задание требований к точности и достоверности исходных данных; формулирование критериев отказов, повреждений и предельных состояний; задание требований к
методам контроля надежности на всех этапах жизненного цикла объекта
Нормируемый показатель надежности регламентирован нормативнотехнической и (или) конструкторской (проектной) документацией на объект. В
качестве нормируемых показателей надежности могут быть использованы один
или несколько показателей, включенных в настоящий стандарт, в зависимости
от назначение пия объекта, степени его ответственности, условий эксплуатации, последствий возможных отказов, ограничений на затраты, а также от соотношения затрат на обеспечение надежности объекта и затрат на его техническое обслуживание и ремонт. По согласованию между заказчиком и разработчиком (изготовителем) допускается нормировать показатели надежности, не
включённые в настоящий стандарт, которые не противоречат определениям
показателей настоящего стандарта. Значения нормируемых показателей
надежности учитывают, в частности, при назначении цены объекта, гарантийного срока и гарантийном наработки.
Контроль надежности проводят расчётным, расчетно - экспериментальным и экспериментальным методами. Проверка соответствия объекта заданные
требованиям к надежности
Расчётный метод определения надежности. Метод, основанный на вычислении показателей надежности по справочным данным о надежности компонентов и комплектующих элементов объекта, по данным о надежности объ7
ектов - аналогов, по данным о свойствах материалов и другой информации,
имеющейся к моменту оценки надежности.
Расчетно-экспериментальный метод определения. Метод, при котором
показатели надёжности всех или нескольких составных частей объектов определяют по результатам испытаний и (или) эксплуатации, а показатели надёжности объекта в целом рассчитывают по математической модели.
Экспериментальный метод определения надежности. Метод, основанный
на статистической обработке данных, получаемых при испытания или эксплуатация объекта в целом.
В зависимости от исследуемого свойства различают испытания на безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость и долговечность (ресурсные испытания).
Оборудования проходит испытания на надёжность. Испытания бывают
определительными, контрольными, лабораторными, ускоренными и нормальными.
Определительные испытания проводятся для нахождения показателей
надежности с заданными точностью и достоверностью. Контрольные для контроля показателей надежности.
Испытания могут проводится в лабораторных или заводских условиях
(лабораторные испытания), или на месте эксплуатации (ускоренные испытания). При лабораторных (стендовых) испытаниях, методы и условия проведения максимально приближены к эксплуатационным.
С каждым годом нормативные показатели претерпевают изменения, что
позволяет с большей вероятностью оценить надёжность оборудования.
8
Лекция 2. СМАЗАЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ПЛАН
1. ОСНОВЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ СМАЗКИ.
2. ЖИДКИЕ СМАЗКИ.
3. ВЫБОР СМАЗКИ.
4. ПЛАСТИЧЕСКИЕ СМАЗКИ.
1.
2.
3.
4.
5.
Литература
Иванова Р. В., Аредьев Е. П., Щербаков В. В. Устройства, монтаж,
техническое обслуживание и ремонт торгово - технологического
оборудования -М.: Экономика, 1979. – 396 с.
Недельский Т. В. Монтаж и ремонт торгово-технологического оборудования -М.: Экономика 1981 –338с.
Владимиров В.Н. Малые холодильные компрессоры. Донецк: ДонГУЭТ, 2005.- 330с.
Владимиров В.Н. Диагностика, ремонт и монтаж оборудования:
Конспект лекций - Донецк: ДонГУЭТ, 2005. - 132с.
Боуден Ф. П., Тэйбор Д. Трение и смазка твердых тел.- М.: Машиностроение, 1968.- 543 с.
1. ОСНОВЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ СМАЗКИ. Смазка в
подвижных сочленениях машин заменяет сухое трение жидкостным. Коэффициент сухого трения скольжения составляет около 0,3, жидкостного — 0,001.
Таким образом, в подшипниках скольжения смазка уменьшает коэффициент
трения в 300 раз.
Во время работы подшипникового узла (рис. 1) скорость движения внутреннего слоя смазки вследствие ее сцепления с цапфой приближается к окружной скорости движения последней, в то время как внешний слой, соприкасающийся с подшипником, практически неподвижен.
Смазка, увлекаемая цапфой, образует в нижней части зазора масляный
клин, смещающий вал несколько влево. Образование клина объясняется тем,
что масло, попадая в суженный зазор, стремится растечься по подшипнику, но
силы взаимного сцепления его частиц препятствуют этому. При непрерывном
движении цапфы устанавливается равновесие между количеством смазки, поступающей в зазор и вытекающей из него.
Жидкостное трение между гладкими поверхностями возникает при толщине масляного слоя 0,5…1 мкм, однако действительные зазоры в узлах трения
принимают в десятки раз большими. Объясняется это тем, что зазор в паре трения должен обеспечивать возможность расширения деталей при изменении их
температуры и, кроме того, компенсировать нарушение соосности деталей,
возникающее вследствие неточности их изготовления и сборки, а также их
упругой деформации под нагрузкой. Толщина масляного слоя в зоне наибольшего сближения деталей должна превышать суммарную высоту микронеровностей сопрягаемых поверхностей. Для правильного образования масляного кли9
на радиальный зазор в ненагруженной части подшипника должен быть постоянно заполнен смазкой.
Зона действия масляного клина и соответственно нагруженной части
подшипника ограничена плоскостями, расположенными под углом около 120°.
Среднее давление смазки в нагруженной части соответствует удельной нагрузке подшипника, однако распределяется оно весьма неравномерно.
Рис. 1- Работа смазки в узлах трения: а — вал в состоянии покоя; б — образование масляного клина; в — положение вращающегося вала; г — эпюры
распределения давления смазки в подшипнике скольжения; д — образование
масляного клина в подвижном сопряжении плоских поверхностей.
В центральной части нагруженной зоны давление смазки в два-три раза
превышает удельную нагрузку, к краям оно постепенно падает, а в месте выхода смазки наружу равняется нулю. Чтобы избежать ослабления масляного клина, не разрешается в зоне его действия делать на поверхности подшипника канавки для распределения или сбора смазки.
Помимо жидкостного и сухого трения, различают еще граничное и полужидкостное. При граничном трении величина смазочного зазора настолько мала, что движение слоев смазки между рабочими поверхностями не происходит:
10
перемещаются только граничные слои молекул смазки, соприкасающиеся с поверхностями деталей.
Полужидкостное трение характеризуется местными разрывами смазывающего слоя, при этом нагрузка передается частично через граничный слой, частично через более толстый слой смазки.
В подшипниках скольжения граничное и полужидкостное трения имеют
место при повышенных удельных нагрузках или в момент начала движения
цапфы, когда в наиболее нагруженном участке еще не образовался масляный
клин.
2. ЖИДКИЕ СМАЗКИ. В качестве жидких смазок применяют в основном
минеральные масла. Исходным материалом для их получения служит мазут остаточный продукт первичной (при атмосферном давлении) перегонки нефти.
Мазут подвергают вакуумной перегонке, в результате которой получают легкие
масла, масляные дистилляты (неочищенные масла) и масляные гудроны. В
дальнейшем из этих продуктов вырабатывают смазки с различными физикохимическими свойствами. Качество минеральных масел зависит главным образом от способов и качества очистки дистиллятов.
Для смазки деталей, соприкасающихся с пищевыми продуктами, применяют растительные масла, не густеющие длительное время на воздухе, — подсолнечное, льняное, горчичное. Растительные масла обладают высокой маслянистостью (липкостью), обеспечивающей устойчивый смазочный слой.
Улучшение эксплуатационных свойств масел достигается добавлением к
ним в небольших количествах (0,01…10%) различных химических соединений
— присадок, обычно являющихся продуктами химического синтеза. Широко
используются присадки, повышающие прочность масляной пленки (для смазки
узлов с повышенной нагрузкой), изменяющие вязкость и вязкостно-температурные характеристики масел, противоокислительные, противонагарные,
антикоррозионные.
В последнее время широкое распространение получили синтетические
смазки, состоящие из кремнийорганических соединений (силоксанов) и углеводородов. Эти смазки в отличие от минеральных смазок сохраняют свои физические свойства в более широком диапазоне температур, и в частности при низких температурах.
Вязкость минеральных масел выражается в единицах динамической, кинематической и условной вязкости.
Динамическая (абсолютная) вязкость измеряется в пуазах (название дано
по имени французского физика Пуазейля). Пуаз выражает силу (в динах), которую необходимо приложить для перемещения двух параллельных слоев жидкости площадью 1 см2 со скоростью 1 см/с при расстоянии между ними 1 см.
Кинематической вязкостью, или удельным коэффициентом внутреннего
трения, называют отношение динамической вязкости к плотности р жидкости.
Единицей измерения кинематической вязкости служит стоко (Ст). Стоке
равен величине вязкости жидкости, имеющей плотность, равную единице, и
динамическую вязкость 1П.
11
Условная вязкость выражается отвлеченным числом, которое является
частным от деления времени истечения 200 г испытуемого масла через калиброванное отверстие на время истечения воды с температурой 20 °С в тех же
условиях. Условная вязкость обозначается буквами ВУ с числовым индексом,
указывающим температуру испытаний, например ВУ50, ВУ100. Для большинства масел стандартными считаются температуры испытаний 50 и 100°С. Единица условной вязкости равнозначна существовавшей ранее единице вязкости в
градусах Энглера.
С повышением температуры вязкость масел снижается. При повышении
температуры минеральных масел общего назначения от 50 до 100 °С кинематическая вязкость их уменьшается в 3…6 раз, а от -20 до 20 °С - в 15 раз и более;
значительно меньше изменяется вязкость синтетических кремнийорганических
смазок. С повышением давления вязкость масел увеличивается.
В производственных условиях вязкость смазки можно определить приблизительно, сопоставляя скорость отекания по стеклу капли испытуемого масла со скоростью отекания капли масла известной вязкости.
Иногда при эксплуатации требуется масло с определенными физикохимическими свойствами, которого в данный момент на предприятии нет. В
этом случае возможно получение масла с определенной вязкостью из масел с
известными вязкостями.
Холодильные масла относятся к группе с низкой температурой застывания. Температуры застывания и текучести характеризуют подвижность масел
при низких температурах. С понижением температуры вязкость возрастает.
Кислоты, содержащиеся в масле, вызывают коррозию и повреждение
конструкционных, уплотнительных и электроизоляционных материалов холодильных машин. Кислотность масел определяется кислотным числом количеством миллиграммов КОН на 1 кг масла. Кислотное число увеличивается при окислении масла. Кроме того, оно характеризует стабильность масла в
смеси с хладагентом и является одним из основных критериев оценки возможности дальнейшего использования масла. Кислотное число высококачественных холодильных масел не превышает 0,03…0,05 мг КОН на 1 кг масла.
Вода растворяется в холодильных маслах в небольших количествах, и
степень ее растворения зависит от типа масла и температуры (чем выше температура, тем больше растворимость). Вода, попадающая в систему холодильной
машины, ухудшает стабильность масла, способствует возникновению химических реакций между хладагентом и маслом, вызывает коррозию материалов и
сгорание встроенного в компрессор электродвигателя. В системе холодильных
машин, работающих на хладагентах R12, R22, R502, концентрация воды в масле не должна превышать 10…60 миллионных долей по массе.
Для осушки масла применяют различные стенды. Принцип работы,
например, стенда (рис. 2) следующий. Из бака 1 масло шестеренным насосом 6
подается в нагреватель 2, где его температура повышается до 60 °С и снижается
вязкость. Далее насосом 6 масло перекачивают через адсорберы 3, заполненные
цеолитом (по 5 кг в каждой колонне), в бак 4 до тех пор, пока не будет достиг12
нута заданная степень обезвоживания. Затем масло подают в бак 5. Производительность установки 60 кг/ч. Габаритные размеры 850  560  1050 мм.
Рис. 2 - Схема установки для осушки масла: 1 - бак; 2 - нагреватель; 3 адсорбер; 4, 5 - баки; 6 - насос.
Смазывающие качества масла характеризуют его способность снижать
изнашивание пар трения компрессора, а противозадирные - способность
предотвращать задиры и заедания. Эти свойства зависят от типа масел, их вязкости и величины поверхностного натяжения. Последнее влияет на удерживание пленки масла в зазорах пар трения компрессора. В диапазоне температур от
-20 до 100 °С поверхностное натяжение минеральных и синтетических углеводородных масел составляет в среднем (25…34)10-3 Н/м. При растворении хладагента поверхностное натяжение масла, как правило, уменьшается. Для смазки
современных высокооборотных компрессоров используют масла вязкостью не
ниже 6…7 мм2/с, а для напряженных условий работы (при 100° С) не менее
8…10 мм2/с.
Содержащиеся в минеральных и синтетических маслах асфальтосмолистые вещества являются причиной появления осадка и отложений на клапанах,
цилиндрах, деталях механизма движения и масляных фильтрах компрессоров.
Смолы ухудшают химическую стабильность масла и обусловливают омеднение
стальных деталей компрессора. Они придают маслу красноватый или более
темный цвет. Нерастворимые и тугоплавкие смолистые вещества (карбоны и
асфальтены) легко задерживаются фильтром, а при его отсутствии могут осаждаться на движущихся деталях компрессора. Содержание смол в высококачественных маслах составляет 0,3…0,5 %.
13
Термическая стабильность масел характеризует их способность сохранять
физико - химические свойства, противостоять окислению и деструкции при высоких температурах. Термическая стабильность масел зависит от температуры
вспышки и испаряемости. Более стабильными являются масла с высокими температурами вспышки, кипения и низкой испаряемостью. Термическая нестабильность минеральных масел проявляется в повышении содержания смол, образовании отложений на горячих поверхностях компрессора.
Хладагенты с неограниченной растворимостью образуют с маслом однородные растворы в любой пропорции в рабочем диапазоне температур. Хладагенты с ограниченной растворимостью смешиваются с маслами только в ограниченном интервале температур. По достижении критической температуры
раствор разделяется на два слоя. Причём, вязкость смеси масел с хладагентами
меньше вязкости чистых масел, что определяется низкой вязкостью хладагентов.
Специфические характеристики холодильного масла обусловлены постоянным контактом с хладагентом. Поэтому они должны быть устойчивы к химическим реакциям с хладагентами. Наиболее устойчивы синтетические углеводородные масла.
Холодильные масла должны быть прозрачными. Если они не прозрачны,
то в них содержится большое количество воды, наличия смолистых веществ
или взвешенных механических примесей. При работе холодильной машины
масло так же постепенно темнеет в результате окисления. Цвет масла является
показателем его пригодности к дальнейшему использованию.
Помутнение минерального масла свидетельствует о начале кристаллизации парафинов. Температура помутнения для смеси масла с хладагентом выше
соответствующей температуры для чистого масла. В работающей холодильной
машине при циркуляции масла в системе твердые парафины засоряют терморегулирующие вентили. Температура помутнения масла в смеси с хладагентом
R12 должна быть ниже температуры кипения хладагента в испарителе.
Основные виды смазок приведены в табл.1.
14
Таблица 1 - Жидкие смазки
ВязТемкость, перасСт
тура Основное назначение
Масла
застывания,
°С.
Для высокоскоростных
механизмов Т
(вазелиновое),
ГОСТ 1840-51
Приборное
МВП, ГОСТ
1805-51
При 50 -20
°С 5,1
…8,5
Индустриальное 20, ГОСТ
1707-51
При 50 -20
°С
17…23
Индустриальное 30, ГОСТ
1707-51
При 50 -15
°С
27…33
Индустриальное 45, ГОСТ
1707-51
При 50 -10
°С
38…52
При 50 - 60
°С
6,3…
8,5
Для легко нагруженных
частей механизмов, работающих при частоте
вращения 10…15 тыс.
об/мин.
Для контрольноизмерительных при
боров, работающих при
низких температурах.
Область применения в
торгово- технологическом оборудовании
Подшипники скольжения микроприводов и
моторных реле времени
Механизмы терморегуляторов, терморегулирующих вентилей и
указателей уровня жидкости холодильных
установок
По основному назначению
Для вентиляторов и
насосов с кольцевой системой смазки, работающих
при частоте вращения
1500 об/мин.
Для металлорежущих
Подшипники скольжестанков, работающих с ния хлеборезок, колбачастотой вращения при- сорезок, шинковальных
мерно 1000 об/мин; для машин
гидравлических систем
станков
Во всех случаях, где ре- Подшипники качения
комендовано масло ин- дымососов и центродустриальное 30, но при бежных насосов для пеболее тяжелых нагрузках рекачивания горячей вои меньших скоростях или ды
при более высоких температурах
15
Масла
ВязТемкость, перасСт
тура
застывания,
°С.
ХА, ГОСТ
5546- 66
Основное назначение
Область применения в
торгово- технологическом оборудовании
При 50 -40
о
С
11,5…
14,5
ХФ-12-16,
При 50 -40
ГОСТ 5546-66 °С не
менее
16
ХФ-22 С-16
При 50 -58
(синтетичес°С не
кое с антиоменее
кислительной 16
присадкой),
ГОСТ 5546-66
Для смазки цилиндров и В холодильных установмеханизма движения ам- ках с .температурой кимиачных компрес-соров. пения до -30 °С.
Трансмиссион- При
ное автотрак- 100
торное летнее, °С
ГОСТ 542-50 28…
32
Тракторное
При
АК-15, ГОСТ 100
1862- 63
°С 15
-20
Для зубчатых зацеплений заднего моста
транспортных машин
Смазка редукторов универсальных приводов
(ПМ-1,1, ПУ-0,6) и мясорубок
-20
Для зубчатых передач
промышленных механизмов при окружной
скорости 3м/с
Редукторы тестораскаточных (МРТ-60) и котлетоформовочных машин
Цилиндровое При
52 (вапор),
100 °С
ГОСТ 6411-52 44…
59
Для смазки компрессо- То же
ров и заполнения систем
холодильных установок,
работающих на R\1
То же для холодильных То же с температурой
установок, работающих кипения до -40°
на R22
Для паровых машин, ра- Паровая арматура. Жаботающих с перегре-вом ровня УЖГ (в каче-стве
пара 400 °С
теплоносителя)
4. ВЫБОР СМАЗКИ. Смазки выбирают по их основному назначению и
путем сопоставления действительных рабочих параметров деталей с параметрами, рекомендуемыми для использования данных смазок (указываются в ГОСТах и справочниках).
Для подшипников качения предпочтительнее использовать жидкие смазки. При средних скоростях движения подшипники, работающие в среде с тем16
пературой до 0 °С, смазывают маслом индустриальным 12, от 0 до 60 °С — индустриальным 45, от 60 до 100°С - цилиндровым 11.
Зубчатые и червячные передачи работают в условиях, не обеспечивающих образования устойчивого масляного клина, поэтому для них целесообразно использовать масла относительно высокой вязкости. Для зубчатых передач
вязкость масел устанавливают в зависимости от материала контактных поверхностей, их нагрузки и окружной скорости перемещения. При температуре
окружающей среды 20 °С для зубчатых передач, работающих с малыми скоростями (2…5 м/с), используют масло цилиндровое 11 и трансмиссионное автотракторное 20…32 сСт (при 100 °С), а работающих с повышенными скоростями
(от 5 до 20 м/с) — индустриальное 45 или цилиндровое 11.
Для червячных передач рекомендуется следующая вязкость масел: при
скорости скольжения в зацеплении от 1 до 2 м/с - 30 сСт (при 100 °С); при скорости скольжения от 2,5 до 5 м/с - 20 сСт (при 100 °С).
Для цепных передач, смазываемых путем погружения в смазочную ванну,
применяют масло индустриальное 45 или цилиндровое 11, а при ручной или
капельной смазке - цилиндровое 11.
Тихоходные валы и оси - подшипники рольгангов, колес тележек, передач с ручным приводом - рекомендуется смазывать маслами повышенной маслянистости. (липкости), например индустриальными выщелоченными 20В или
45В. Эти масла не проходят сернокислотной очистки и благодаря наличию
смолистых веществ хорошо удерживаются на поверхностях деталей.
При выборе масел для хладоновых установок большое значение имеет
растворимость масла в хладоне, так как это связано с обеспечением возврата
масла из испарителя в компрессор. Так, минеральные масла ХМ35, ХМ50,
ХФ12 - 18 неограниченно растворяются в R12 в области температур до - 42°С.
Синтетическое масло ХФ22С - 16 неограниченно растворимо в R22 и R502 в
области температур до - 70°С, поэтому оно рекомендуется для применения в
низкотемпературных установках. Растворимость минеральных масел ХА30,
ХМ35, ХМ50, ХФ22 - 24 в R22 ограничена. Растворимость в R12 масел ХС40,
ХС50, ХА30 ограничена во всем рабочем диапазоне его температур кипения и
конденсации.
В быстроходных и многоцилиндровых машинах нагрев сопрягаемых деталей от трения более высокий, чем в машинах с меньшей частотой вращения и
количеством цилиндров. Так как вязкость масла при нагреве уменьшается, то
для быстроходных и многоцилиндровых машин необходимо применять масла с
большей вязкостью. Иногда на требуемую вязкость масла влияют конструктивные особенности машины, поэтому в паспорте машины завод-изготовитель
указывает рекомендуемые марки масел.
Используемые с хладагентами СFС (R12, R502…) НСFС (R22…) масла не
совместимы с хладагентами НFС. Поэтому компрессоры, предназначенные для
работы с новыми хладагентами, заправляются специальным маслом, называемым «эфирное масло». Несмотря на все положительные моменты, оно имеет и
недостатки:
- Эфирные масла чрезвычайно гигроскопичны и быстро отбирают влагу
17
из воздуха. Образованная смесь «эфирное масло» + НFС + вода может образовывать крайне агрессивную и опасную фторводородную кислоту, которая
опасна как для человека, так и для компрессора. Поэтому канистру с «эфирным
маслом» нельзя оставлять открытой на воздухе более 15 минут (предельное
время) и масло, содержащееся в ней, следует полностью использовать.
Новый компрессор, заправленный «эфирным маслом», поставляется полностью обезвоженным. Во время сборки установки его внутренние полости
должны оставаться совершенно изолированными от окружающей среды, чтобы
избежать загрязнения масла влагой, которая содержится в воздухе.
- «Эфирные масла» не допускают смешивания, т. к., зачастую, содержат
антиокислительные и (или) противоизносные добавки, которые улучшают его
характеристики. Природа этих добавок у различных производителей неодинакова, что может привести к несовместимости масел между собой. Кроме того,
при смешивании масел результирующая вязкость смеси становится непрогнозируемой.
Главная проблема заключается в том, что эфирные масла очень быстро
перестают смешиваться с хладонами НFС в присутствии масел другого семейства. Особенно опасно, если «эфирное масло» загрязнено минеральным маслом
(повсеместно используемым с R12), и в меньшей степени, когда речь идет об
алкилбензольном (иногда используют с R22 и R502). Кроме того, эфирное масло является более плохим растворителем, но обладает лучшими очищающими
свойствами, чем старые масла. Это приводит к быстрому его загрязнению. Поэтому качество сборочных работ, особенно при монтаже установки, должно
быть безупречным, а сами работы должны проводиться с неукоснительным соблюдением всех правил.
В зависимости от условий работы (прямой цикл расширения, затопленный испаритель, высокая или низкая температура кипения, испаритель над или
под компрессором, большая протяженность трубопроводов…) максимально
допустимое содержание минерального масла в эфирном не должно превышать
1…4 %.
Удаление из установки остатков минерального масла и тщательная
очистка всех ее компонентов проводят несколькими способами:
а). После слива минерального масла холодильная установка будет работать в переходном режиме на смеси хладагента и эфирного масла. Для достижения допустимого уровня содержания остатков минерального масла требуется
несколько раз менять эфирное масло. Периодичность смены масла зависит от
размеров холодильной установки. Как правило, заполнять установку хладагентом НFС можно после 1…3 смен эфирного масла. После удаления хладагента
R12 и выполнения всех необходимых замен и регулировок холодильную установку вакуумируют (высушивают) и заполняют хладагентом НFС.
б). Первым шагом является слив минерального масла и удаление хладагента R12. После выполнения всех необходимых замен и регулировок холодильную установку вакуумируют (высушивают), заполняют хладагентом НFС.
Включают на непродолжительное время (порядка нескольких часов), после чего производят замену отработанного эфирного масла. Установку вновь вклю18
чают и наблюдают за ее работой. При возникновении отклонений от нормальной работы установку отключают и вновь заменяют эфирное масло. Если же
установка, снова работает неудовлетворительно, то проводят анализ пробы
эфирного масла (выполняется в специализированной лаборатории). По результатам анализа принимают решение о необходимости дополнительной смены
эфирного масла.
в). Для промывки холодильной установки используют растворитель, благодаря чему отпадает необходимость в неоднократной смене эфирного масла.
Кроме того, отработанный растворитель можно очистить посредством его дистилляции и впоследствии вновь использовать его. В качестве промывочной
жидкости могут быть использованы хладоны R11, R113 или четыреххлористый
углерод, эфиры бензина и другие углеводороды. Промывочная жидкость должна хорошо растворять минеральное масло и продукты его разложения, не быть
агрессивной и ядовитой, иметь температуру кипения при атмосферном давлении выше 25°С. Если применять растворитель на основе хлора, то в холодильной установке после окончания процедуры не должно оставаться его следов. В
противном случае образуются свободные ионы хлорида, которые вступают в
реакцию с маслом.
При переводе на эфирное масло нужно выяснить его способность смешиваться с новым хладагентом и его индекс вязкости. Необходимо проверить
совместимость используемых материалов для обмотки компрессора (главным
образом для герметичных компрессоров) или для сальника.
Переходные хладагенты, которые являются смесями на основе хладагента
категории HCFC R22 (разрешено использовать до 2015 года), можно использовать, практически, без доработки существующих установок. Они совместимы с
маслами для хладонов CFC.
Перед заменой или добавлением масла необходимо пользоваться рекомендациями производителя компрессора.
Наиболее часто отказы компрессоров связаны с их системой смазки и качеством используемого масла. Правильный выбор масла способствует долговременной и надежной работе компрессора.
Отработанные смазки разрешается использовать повторно только после
их очистки от механических примесей и восстановления физико-химических
свойств. Для регенерации специальные масла собирают по маркам или подразделяют по видам и способам производства, индустриальные — сливают все
вместе,
Механические примеси и воду удаляют из масел путем отстоя, фильтрации и сепарации. Для отстоя и фильтрации используют специальные бачки
(рис. 2). Продолжительность отстоя при комнатной температуре 1…3 суток,
при температуре 70…90 °С - 2…8 ч. В качестве фильтрующих материалов применяют сукно, фетр, бельтинг (специальное полотно), фильтровальную бумагу.
19
Рис. 2 - Фильтр для очистки смазки: 1 бачок для загрязненной смазки; 2 - паровой
змеевик; 3 - отстойник; 4, 6 - краны для выпуска грязи из отстойников; 5 - кран для выпуска очищенной смазки; 7 - фильтр; 8 - переливная труба.
Сепарацию масел производят в центрифугах, частота вращения барабанов
которых 7000…9000 об/мин; масло предварительно нагревают до 60…80 °С.
Для удаления остаточной влажности масла «сушат» в автоклавах под вакуумом при температуре 95 °С в течение 10 мин.
Для получения необходимой вязкости допускается смешивать масла двух
или нескольких марок, но одинакового способа производства. Не разрешается
добавлять к смазкам горючие растворители - керосин, соляровое масло и др.
4. ПЛАСТИЧЕСКИЕ СМАЗКИ. Пластичные смазки представляют коллоидальную смесь на масляной основе с добавлением загустителей.
В качестве масляной основы используют преимущественно индустриальные масла одной марки или в смеси с различными маслами специального
назначения, а также полисилоксановые жидкости различных модификаций.
Загустителями служат мыла, полученные в результате обработки синтетических жирных кислот щелочными соединениями кальция, натрия, лития,
бария, или полутвердые смеси углеводородов — сплавы церезина (смесь твердых высокомолекулярных насыщенных углеродов) и парафина с маслами. Для
получения смазок со специальными свойствами применяют также органические
и неорганические загустители.
Мельчайшие твердые частицы загустителя, сцепляясь между собой, образуют трехмерный пространственный каркас, поры (ячейки) которого заполнены
жидкой смазкой. Между поверхностями трения под действием сил сдвига кар20
кас разрушается, что позволяет проявляться свойствам жидкой смазки; после
прекращения деформации структура каркаса восстанавливается. Таким образом, пластичные смазки способны устойчиво сохранять смазочный слой между
поверхностями трения при высоких удельных нагрузках, что выгодно отличает
их от жидких смазок.
Пластичные смазки, приготовленные из минеральных масел, загущенных
кальциевыми мылами, называют солидолами. Солидолы содержат некоторое
количество свободной и связанной воды, однако в воде не растворяются. Предельная рабочая температура солидолов 50…70 °С; при более высоких температурах они распадаются на масло, мыло и воду. После охлаждения первоначальная связь между компонентами не восстанавливается, структура солидола
и его смазочные свойства теряются. Используют солидолы для смазки деталей,
работающих во влажной или нормальной среде с невысокими температурами.
Смазки, полученные из минеральных масел, загущенных натриевыми
мылами, называют консталинами. Консталины способны работать при высоких
температурах (до 130 °С), но относительно легко растворяются в воде, выделяя
при этом жирные кислоты и щелочи, вызывающие коррозию металлов. Смешиваясь G водой (особенно при повышенных температурах), они образуют эмульсию, легко смывающуюся в поверхностей трения.
Смазки, полученные путем загущения литиевыми мылами, обладают широким диапазоном рабочих температур (от -40 до 120 °С). Еще более широким
диапазоном рабочих температур (от -60 до 200 °С и более) обладают смазки,
приготовленные на основе полисилоксановых жидкостей.
Пластичные смазки используют для подшипников качения, работающих с
любыми скоростями; тихоходных зубчатых, червячных и других передач; подшипников скольжения тележек и рольгангов; рессор; различных приборов контроля и управления технологическими процессами.
Выбор смазок производят по основному их назначению с учетом действительных рабочих параметров смазываемых деталей и предельных параметров, установленных для применения данной смазки.
Вязкость — наиболее важный параметр, который учитывают при выборе
смазки в зависимости от степени нагрузки узла. При постоянной температуре
вязкость пластичных смазок уменьшается по мере увеличения скорости ее деформации (сдвига) в рабочих условиях.
Предел прочности на сдвиг - максимальное напряжение сдвига, не вызывающее разрушения структурного каркаса смазки и переход ее в вязкое состояние. Он характеризует способность смазок сопротивляться сбросу с движущихся деталей, вытекать и выдавливаться из негерметизированных узлов трения.
Смазки для средненагруженных деталей должны иметь предел прочности при
50 °С не менее 1…2 гс/см2, для тяжелонагруженных — 3 гс/см2 и более. Излишне высокая прочность препятствует проникновению смазки к трущимся поверхностям.
Правильно подобранная смазка позволит значительно продлить срок эксплуатации оборудования.
21
Табл.2 - Пластичные смазки
Смазки и их заме- Вязкость, П
Температурные
нители
при -15 при 0 пределы работоспособности, °С
0
0
С
С
Основное назначение и
особенности смазок
Область применения в торговотехнологическом оборудовании
Солидолы синтетические (на мылах из синтетических жирных кислот), ГОСТ 366—
76
Для разнообразных механизмов и узлов трения индустриальных, транспортных, подъемных и других
машин.
Водостойкие
Подшипники качения с частотой
вращения вала до 3000 об/мин, тихоходные зубчатые, червячные и
цепные передачи.
Для органов управления и
шасси подъемно- транспортных механизмов.
Для подшипников и органов управления цеховых транспортных
средств.
пресс-солидол С 2500…
(заменитель - соли- 6000
дол жировой УС1), ГОСТ 1033-73
солидол С (заменитель — солидол 3000…
жировой УС-2),
10 000
ГОСТ 1033-73
Не
От – 40 до 50
более
1000
Не
От –30 до 70
более
2000
Для узлов всех типов, рабо- Картофелечистки всех типов тающих в обычных услови- подшипники качения и зубчатые
ях
колеса; тестомесильная машинаТММ-1М — подшипники качения и опора месильного рычага;
планетарные передачи взбивальных
машин; тихоходные зубчатые и
червячные зацепления
23
Консталины жиро- 8000вые (универсаль- 12000
ные тугоплавкие
УТ) ГОСТ 1957—
73
2500- От -20 до 120
5000
Для подшипников качения
и деталей, работающих при
повышенных (более 50 °С)
температурах. Растворимы
в воде.
Консталин УТ-2 имеет повышенный предел прочности на сдвиг.
Подшипники качения дымососов,
вентиляторов, центробежных насосов по перекачке горячих жидкостей и их электродвигатели; зубчатые и червячные передачи, работающие при повышенных температурах.
ЭШ – 176,
ТУ 38-10196-70
1200017000
5000- От –10 до 110
8000
Для подшипников электродвигателей в горизонтальном и вертикальном исполнении. Водостойкая.
Подшипники электродвигателей
посудомоечных машин, холодильного оборудования и вентиляторов,
работающих в сырых помещениях.
ЦИАТИМ-201,
ГОСТ 6227-74
Не более
От – 60 до 90
11000
800 –
при
1700
0
–50 С
ПВК (пушечная)
ГОСТ 19537-74
-
Для стальных тро- сов ТУ 38-101-28572
15000
–
40000
450 –
500
Для маломощных механиз- Подшипники качения смесителя
мов, приборов. Высокая
«Воронеж», машины тонкого изиспаряемость.
мельчения продуктов, приводы
автоматов и счетных машин
Для консервации металли- Применяется по основному назначеских изделий
чению
Для смазывания стальных
тросов при эксплуатации.
Вязкая
Тросы подъемников
24
Лекция 3. КОНСТРУИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И
НАДЕЖНОСТЬ
ПЛАН
1. ВНЕШНИЕ УСЛОВИЯ РАБОТЫ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ПРИНЦИПЫ
КОНСТРУИРОВАНИЯ НАДЕЖНЫХ СИСТЕМ
2. НАДЕЖНОСТЬ ПОДШИПНИКОВ И ПОЛИМЕРОВ В КОНСТРУКЦИЯХ
ПОДВИЖНЫХ СОЧЛЕНЕНИЙ
3. КОНСТРУИРОВАНИЕ ОТЛИВОК
4. ТРЕБОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ К КОНСТРУКЦИИ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ
УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ
5. О МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ
Литература
1. Базовский.И. Надежность. Теория и практика. Пер. с англ. -М. «Мир»,
1975. – 388 с.
2. Справочник по надежности. Пер. с англ.Т. I, II, III. -М.: «Мир», 1970.472 с.
3. Надежность и эффективность в технике: Справочник : В 10-ти т.- М.:
Машиностроение, 1986.Т.1.- 278 с.
4. Дерягин Б. В., Кротова Н. А. Адгезия твердых тел.- М.: Наука, 1973.279 с.
5. Костецкий Б. И. Надежность и долговечность машин.- Киев: Техніка,
1975.- 226 с.
Существующее мнение о том, что надежность механизма предопределяется конструированием, неоднократно подтверждается практикой конструирования, изготовления и эксплуатации машин и механизмов.
Решение проблемы надежности механических систем воплощается в основном в повышении надежности их элементов, в соблюдении определенных
правил конструирования, технологии изготовления и эксплуатации, обеспечивающих безотказность их работы в течение определенного заранее заданного
времени.
К способам повышения надежности относятся:
улучшение физико-механических свойств материала, из которого изготовляется тот или иной элемент конструкции; обеспечение стабильности этих
свойств на протяжении заданного отрезка времени в эксплуатации при определенных внешних условиях;
создание простой конструкции, обеспечивающей необходимую прочность,
износостойкость, работоспособность, возможность осуществления намеченных в
процессе конструирования технологии изготовления и контроля качества;
изготовление деталей и сборка конструкции способами, гарантирующими
определенные, заранее предусмотренные свойства механизма и его элементов;
исключение субъективного фактора из процесса изготовления деталей, сборки,
регулировки и тренировки механизма;
25
тщательный контроль качества изделия на всех этапах — от конструирования и изготовления до регулировки и эксплуатации.
Определенная взаимосвязь способов повышения надежности деталей и
механизмов часто не позволяет использовать лишь один из них: изменение какого-либо технологического фактора может быть связано с определенными
требованиями к материалу; определенный метод контроля может потребовать
изменения конструкции и пр.
Следует учитывать, что к каждой группе механизмов предъявляются свои
характерные требования надежности. Специфические требования предъявляются, например, к механизмам, у которых основным фактором, определяющим
надежность, является точность (кинематики, измерения и пр.). Особую группу
представляют собой механизмы, которые рассчитаны на разовое безотказное
срабатывание и не могут быть проверены в эксплуатационных условиях
(например, механизмы взрывателей, ряд ракетных систем, ряд аварийных механизмов в подводных лодках, самолетах и пр.).
В идеальном случае все детали, входящие в какой-либо механизм, должны
одновременно прийти к предельно допустимому состоянию или к поломке.
В этом случае элементы механизма имели бы одинаковые критерии
надежности  t  . Однако в действительности целый ряд факторов, связанных с
жесткостью системы, виброустойчивостью, сопротивляемостью воздействию
внешних условий и причины экономического характера, делают детали разнопрочными, разноизнашивающимися.
Таким образом, при проектировании новой системы в распоряжении конструктра могут быть элементы с однородными и неоднородными критериями
интенсивности отказов  t  . Применение вторых в ряде случаев предпочтительнее, так как кривая  t  получается более плавной (рис. 1, а, б).
Кривые  t  почти всегда имеют на начальном участке всплеск. При их
суммировании в случае использования однородных элементов (рис. 1, а) может
получиться, что интенсивность выхода системы из строя будет в какой-то
промежуток времени больше критической, т. е. система в это время будет работать ненадежно. Системы, составленные из неоднородных элементов (рис. 1,
б) имеют более равномерные кривые интенсивности отказов.
Детали, из которых состоят узлы и механизмы, имеют различные функции и «ответственность», поэтому жесткость требований к ним неодинакова как
на этапе конструирования, так и на этапе изготовления.
Согласно В. Н. Трейеру детали современных машин подразделяют на
следующие три группы:
активные, участвующие в рабочем процессе посредством движения под
нагрузкой;
базовые, составляющие основу для правильного взаимного расположения и взаимодействия активных деталей;
вспомогательные, служащие для управления машиной и обеспечения
нормальной работы активных и базовых деталей.
26
Рис. 1- Характеристика системы
с t  при использовании элементов: а однородных, б - неоднородных.
В свою очередь, отдельные детали, входящие в эти группы, а также
узлы и системы, собираемые из них, в зависимости от степени их влияния на
нормальное функционирование механизма делят на две группы:
детали и узлы, поломка или отдельные дефекты которых исключают
нормальное функционирование механизма (системы); их иногда называют ответственными; к ним предъявляются более жесткие требования, чем к деталям и узлам второй группы;
детали и узлы, поломка и отдельные дефекты которых не приостанавливают работы механизма, но связаны с неудобством или затруднениями нормального функционирования.
Например, поломка полуоси заднего моста автомобиля является серьезной аварией. Нормальная эксплуатация автомобиля исключается до замены
полуоси и устранения последствий поломки. Эта деталь относится к первой
группе. Поломка ручки двери кабины не влияет на надежность, но причиняет
неудобство в эксплуатации. Такая неисправность относится ко второй группе В
определенных условиях дефект или поломка детали второй группы может
нарушить нормальное функционирование механизма. Шплинт, выпавший из
скрепляющего болта составной шестерни коробки передач, попав между
зубьями шестерен, может вызвать поломку деталей первой группы.
1. ВНЕШНИЕ УСЛОВИЯ РАБОТЫ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ. Имеются в виду те
внешние условия, в которых эксплуатируется или пребывает система или ее отдельные элементы. К внешним условиям относятся, например, температура,
влажность, давление воздуха или воды, абразивная среда (пыль, песок и др.),
27
магнитное поле, электрические разряды, степень ионизации воздуха или воды,
солнечная радиация, радиоактивное излучение, активная химическая среда, акустические условия, биологические условия (плесень, грибок, насекомые), обледенение, вибрационные и ударные нагрузки, аэродинамические и гидродинамические условия и т. п.
Иногда комплекс внешних условий характеризуют одним термином.
Например, внешние «морские условия» включают в себя химическую активность
морской воды, ее динамическое воздействие на корпус судна и палубные
надстройки, воздействие налипающих раковин (молюсков) на материал днища,
увеличение вследствие этого осадки и ухудшение гидродинамических условий и
пр.
«Тропические условия» представляют собой комплекс условий, в которые
входят повышенная температура воздуха, высокая влажность (речь идет о влажных тропиках), интенсивная солнечная радиация и иногда условия биологического характера. Полностью представленные условия работы позволяют на этапе
конструирования выработать и воплотить в конструкции мероприятия по локализации или исключению причин, мешающих нормальному функционированию
механизма в течение заданного ресурса.
К сожалению, техническое задание на проектирование не всегда отражает
всю полноту внешних условий работы механизма. При учете воздействия внешних условий большое внимание следует уделять выбору материалов. Например,
некоторые стали в условиях низких температур приобретают хрупкость, исключающую в этих условиях нормальную работу детали. Магниевые и алюминиевые
сплавы плохо работают в условиях высоких температур (свыше 300°). Железографитные и бронзо-графитные втулки подшипников в условиях падения атмосферного давления (до 0,7) работают хуже, чем в нормальных условиях, так как
потери на трение больше.
В условиях повышенной влажности при низкой температуре (влажные тропики) нельзя применять ряд материалов, удовлетворительно работающих в средних широтах. Основной их «бич» — коррозия. Корродируют все магниевые сплавы, стальные детали, имеющие цинковое покрытие, оцинкованные стальные тросы, шарикоподшипники из стали ШХ15, хотя консистентные смазки в какой-то
мере и предохраняют последние от коррозии.
Детали, расположенные в открытых, продуваемых местах, корродируют в
меньшей степени, чем в закрытых, замкнутых полостях, где может скопиться
влага. Например, интенсивна коррозия деталей, расположенных внутри кожухов
приборов. Кадмированные стальные детали значительно лучше сопротивляются
коррозии, чем покрытые цинком или каким-либо другим известным защитным
покрытием.
В Англии распространены тросы из нержавеющей стали, хорошо работающие в условиях влажности. Коррозийную стойкость имеют алюминированные
тросы (стальные тросы в обжатой алюминиевой оболочке). Показательно, что в
узлах изделий иностранных фирм текстолит почти повсеместно заменяется другими пластмассами, в частности полиамидами.
28
При выборе пластмасс необходимо учитывать, что некоторые из них могут являться в буквальном смысле слова пищей для ряда микроорганизмов и
насекомых. Например, широко распространенная изоляция электрожгутов из
полихлорвинила уничтожается термитами. Ряд пластмасс разрушается от воздействия солнечной радиации. Особенно быстро выходят из строя резиновые детали - солнечная радиация и высокая температура способствуют интенсивному
старению резины. Срок годности всех марок резины, применяемых в отечественном машиностроении, определяется не временем работы, а общим календарным сроком со дня изготовления детали. Для увеличения ресурса некоторых резиновых деталей и общей надежности механизма можно рекомендовать недавно появившуюся техническую резину на основе кремнийорганических каучуков. Эта резина устойчива к температурам –100…+ 300 °С, инертна к
окружающей внешней среде и практически не стареет.
Старение металлов является совокупностью процессов, приводящих их с
течением времени к неустойчивому твердому раствору. К неравновесному состоянию металл могут привести разные причины: холодная пластическая деформация; быстрое охлаждение; неравномерное приложение напряжений.
Причины эти порознь и в совокупности ведут к искажению кристаллической
решетки, измельчению зерен, увеличению внутренних напряжений. Однако
при нормальной температуре изменение структурно-неравновесного состояния
почти не происходит, так как подвижность атомов недостаточна для приближения металла к равновесному состоянию.
Закаленные сплавы характеризуются неустойчивостью. Даже без температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие
его к более равновесному состоянию. Нагрев сплава, ведущий к большой подвижности атомов, способствует этим превращениям. В результате повышения
температуры закаленный сплав все больше и больше приближается к равновесному состоянию, т. е. совершается отпуск, если при этом не превышается температура фазовых превращений. Отпуск, если он происходит при нормальной
температуре или при относительно невысоком нагреве, протекает менее интенсивно и называется старением, или естественным старением (последний термин
относится к процессам приближения к равновесному состоянию при комнатной
температуре).
По мере протекания процессов старения или естественного старения изменяются физико-механические и другие характеристики сплавов. Процессы
старения сложны и объяснены далеко не полностью. Распад твердого раствора
связан с такими пока неучитываемыми факторами, как дефекты кристаллов
(дислокации: вакансии, внедренные атомы и др.), взаимодействие атомов растворенных элементов, электронная структура сплавов и характер колебаний
кристаллической решетки. Большинство сплавов в процессе естественного старения упрочняется и приобретает хрупкость.
Кроме известного влияния температуры, на интенсивность процесса старения следует отметить влияние акустических колебаний.
Влияние радиоактивного излучения (нейтронная радиация,  -,  - и  лучи) в сочетании с механическими напряжениями и высокими температурами
29
вызывает в различных материалах особые изменения их строения и свойств.
Металлические материалы под воздействием излучения претерпевают фазовые
превращения, изменяют химический состав и физические свойства, становятся,
как правило, твердыми, прочными, мало пластичными. Стекло и пластмассы
изменяют цвет и теряют прозрачность.
Особенной чувствительностью к действию радиоактивного излучения обладают органические материалы (пластмассы, смазки, резина). Большинство
пластмасс становится хрупкими. Химические соединения в смазках распадаются, теряются физические связи; в результате ухудшается их смазывающая способность; резины трескаются, теряют свою эластичность.
Характерно также влияние низких температур на прочность и пластичность материала. У большинства металлов и сплавов с понижением температуры
прочность увеличивается. Например, у алюминия, серебра, меди, никеля, свинца и магния пластичность при низких температурах (порядка - 50 °С и ниже)
увеличивается или сохраняется. Молибден, хром, олово, углеродистые и некоторые легированные стали с понижением температуры становятся хрупкими. Если
легированные стали имеют аустенитную структуру, то снижение температуры
не ведет к увеличению хрупкости.
Многие сорта резины при температуре от - 40 до - 50 °С также приобретают хрупкость. У специальной морозостойкой резины она наблюдается при
- 100…- 120 °С. Пластмассы при низких температурах теряют пластичность.
В условиях сухого климата или высоких эксплуатационных температур
механизма его кожаные детали, в частности, кожаные уплотнительные манжеты, теряют эластичность, трескаются и не дают уплотнения. Впрыскивание
спиртоглицериновой смеси предохраняет их от старения, однако эта смесь способствует коррозии цилиндров и трубопроводов.
Внешними условиями определяется состояние и смазочных материалов.
Широко известны смазки, не густеющие при низких температурах, высокотемпературные смазки, в том числе силикатные и с присадкой графита. Однако в
условиях вакуума графитизированные смазки работают плохо. Появились металлизированные смазки, хорошо работающие в условиях высоких и низких
температур и больших удельных давлений. Они имеют консистентную основу
(ЦИАТИМ-201) с содержанием мелкодисперсного порошка пластичного металла (свинец, олово, медь, баббит).
Хорошо зарекомендовали себя подшипники скольжения с фторопластовой
«смазкой» (смесью фторопласта-4 с дисульфидом молибдена) в «порах» и на
поверхности бронзовой втулки. Они не требуют периодического смазывания и,
главное, хорошо работают в химически агрессивной и абразивной средах.
Если в технике нет случаев подобия проектируемому механизму и условиям работы, необходимо опытным путем, приближая внешние условия к реальным (или предполагаемым), подбирать необходимый материал или смазку.
Необходимо помнить, что ускоренные испытания или приближенное воспроизведение внешних условий в лаборатории не всегда дают удовлетворительные
результаты, поэтому, если имеются статистические материалы по эксплуатации
подобного механизма, им необходимо отдать предпочтение.
30
При разработке нового изделия конструктор всегда стремится создать
надежную конструкцию. В технических условиях на разрабатываемое изделие
должна быть задана предельная интенсивность выхода из строя кр или допустимое значение вероятности безотказной работы Ркр в виде функции РКР=
Ркр(t).
Конструкция должна быть по возможности простой. Это означает, что
машина должна характеризоваться простейшей кинематической схемой, составленной из простейших механизмов, минимальным числом узлов и элементов, относительной легкостью изготовления деталей и сборки узлов и машины
в целом, удобством эксплуатации, легким доступом к местам, требующим периодического осмотра и смазки при обеспечении коррозийной стойкости, достаточной сопротивляемостью внешним условиям работы, экономичностью в изготовлении и эксплуатации.
В сложной машине, как правило, больше возможностей для возникновения отказов, чем в простой. Однако и упрощать конструкцию следует с некоторым ограничением. Например, составные детали обычно работают при ударных
нагрузках тем лучше, чем большее число частей они имеют.
Сопротивляемость ударной нагрузке возрастает с увеличением объема
металла, вовлеченного в деформацию; т. е. с увеличением работы разрушения
(это не распространяется только на детали из хрупких металлов).
В некоторых случаях усложнение конструкции делает машину более
надежной. Допустим, тяжелый самолет имеет ручное механическое управление
рулевыми поверхностями. Для увеличения надежности управления, чтобы исключить аварии из-за отказов системы управления, параллельно с основной системой управления устанавливают независимую дублирующую. Система
управления самолетом усложняется, однако надежность ее увеличивается. Конструкцию упрощает применение типовых схем, узлов и нормализованных деталей, работа и надежность которых проверены на практике.
Технологичность изделия, как залог его высокого качества и надежности
должна предусматриваться на ранних этапах проектирования.
Конструктивные решения, считающиеся оптимальными и отражающие в
какой-то мере основные требования надежности, предъявляемые к конкретному
механизму, могут быть одновременно представлены многими конструкторами
или конструкторским бюро. Из множества решений, в которых часто отражены
субъективные, порой недостаточно обоснованные, частные решения лиц, участвующих в разработке, контроле и утверждении проектов, необходимо выбрать
наилучший вариант.
Для оптимального решения различных инженерных задач интересен новый математический метод, предложенный Я. Ю. Шацем. Это общий аналитический метод проектирования оптимальных механизмов, сущность которого заключается в выявлении с помощью вычислительной техники множества вариантов, удовлетворяющих всем заданным условиям, и последующем отборе из
них оптимального по определенным параметрам варианта. Такой метод полностью освобождает проектировщика от субъективно-произвольного выбора, как
самой схемы проектируемого механизма, так и ее отдельных параметров.
31
Если конструкция с заданной надежностью не может быть осуществлена
простейшими методами из-за каких-либо ограничивающих факторов, (габарита,
веса, стоимости и пр.), то для обеспечения надежности применяют резервирование, т. е. выбор такой схемы, при которой механизм может успешно выполнять свои функции при отказе или выходе из строя отдельных деталей и узлов
или при действии на механизм неучтенных нагрузок.
Конструируя механизм на основании изучения будущих условий его работы и, в частности, дестабилизирующих факторов, следует разрабатывать мероприятия, парализующие их вредное действие. Осуществляется это двумя способами:
защитой от дестабилизирующих факторов, созданием элементов машин,
способных нормально функционировать в тяжелых условиях работы (при высоких температурах, ударных нагрузках, вибрациях и т. д.);
ослаблением дестабилизирующих факторов (охлаждением, уменьшением
нагрузок, демпфированием и пр.).
Часто положительный результат дают оба способа. Тогда необходима количественная оценка имеющихся решений в сопоставимых величинах (надежности, стоимости, веса, долговечности и пр.).
Например, для исключения самоотвинчивания гаек на вибрирующем картере автомобильного двигателя вместо изменения виброхарактеристик двигателя применяют надежную контровку. Аналогично для исключения резонансных
явлений во время работы двигателей в тягах системы управления самолетом
меняют за счет их длины собственные частоты колебаний.
Из-за неучтенных или недостаточно точно определенных виброусловий
работы механизмов и систем часто происходят отказы, приводящие иногда к
тяжелым последствиям. Например, разрушительные вибрации, возникавшие
при определенном режиме полета, приводили к катастрофам английских самолетов «Комета».
На вибропрочность узла влияет не только сопротивляемость вибрации
отдельных входящих в узел элементов, но и способ их сочленения. Из неподвижных соединений наибольшей вибропрочностью обладают сварные и клеесварные. Хуже работают в виброусловиях заклепочные соединения.
Разъемные болтовые соединения удовлетворительно работают в условиях
вибрации при наличии предварительной затяжки. Чрезмерная затяжка приводит
к возникновению опасных по величине напряжений, которые, складываясь с
напряжениями от внешних нагрузок, могут привести к разрушению соединения.
При выборе посадок необходимо учитывать пластичность материалов сопрягаемых деталей, возможность возникновения остаточных деформаций смятия. Оптимальные величины натягов и зазоров определяют обычно опытным
путем, так как многообразие факторов не позволяет учитывать их совокупное
влияние. Оптимальная экспериментально найденная величина может быть
больше или меньше расчетной. Допуска, удовлетворяющие условию надежности, выбирают, исходя из условий их точности и безударной работы.
С точки зрения надежности, желательно, чтобы зазоры или натяги в сопрягаемых деталях имели, по возможности узкие пределы. Однако сужение
32
пределов, благоприятно отражаясь на качестве машины, приводит к повышению ее стоимости и часто к увеличению брака.
В серийном производстве ручная подгонка деталей должна быть исключена, поэтому соединения, требующие подгонки, должны подвергаться тщательному анализу. Если подгонка неизбежна, то необходимо так подобрать
размерные цепи сочленения, чтобы затрачивался минимум времени и средств
на подгонку или подбор деталей. Взаимозаменяемость деталей исключает подгонку. Исключают подгоночные работы и компенсационные детали; регулируемые или нерегулируемые детали-компенсаторы позволяют в определенных
пределах компенсировать накопившиеся погрешности размерной цепи, износ в
процессе собираемых узлов и механизмов. Определенности установки способствуют наличие центрирующих буртиков или отверстий, базирование по одной
поверхности и пр.
Сложные механизмы с большим числом элементов (в зависимости от характера взаимосвязи) имеют обычно и большие отклонения конечных размеров
цепи. Во избежание этого (так же, как и для повышения надежности) необходимо
уменьшение числа деталей и узлов. С другой стороны, крупногабаритные машины большой сложности следует разбивать на узлы, секции и агрегаты, чтобы увеличить фронт сборочных работ, дать возможность контролировать отдельные
узлы независимо от всего изделия, заменять быстроизнашивающиеся узлы и пр.
Монолитность корпуса позволила уменьшить зазоры между подвижными
частями и корпусом, уменьшить течи, повысить давление и производительность.
Ненадежность изделий часто зависит от погрешностей конструкции, большинство из которых является следствием недостаточно продуманной конструкторами специфики технологического процесса, в частности, условий сборки.
Основными показателями надежности у большинства машин следует считать их способность полностью вырабатывать установленный ресурс при минимальных затратах на ремонт.
2. НАДЕЖНОСТЬ ПОДШИПНИКОВ И ПОЛИМЕРОВ В КОНСТРУКЦИЯХ ПОДВИЖНЫХ СОЧЛЕНЕНИЙ. Многие механизмы, содержащие подшипники, выходят
из строя из-за отказа последних. Такой отказ возможен по двум причинам: из-за
поломки подшипника или недопустимого износа (в том числе усталости, выражающейся в выкрашивании поверхностей качения деталей шарикоподшипника).
В зависимости от характера нагружения, качества (в том числе точности) изготовления и монтажа машины и внешних условий работы меняется и
соотношение между числом отказов по каждой из этих двух причин. Согласно
статистическим данным о механических системах А, Б, В, Г, Д и Е, данные об
отказах которых приведены в табл. 3, общая доля отказов подшипников составляет по отношению ко всему числу отказов 19,2%. При этом относительное
количество отказов составляет у подшипников качения 77%, у подшипников
скольжения 23%.
Общей статистики по подшипникам качения и скольжения пока нет, а отдельные статистические материалы трудно обобщать из-за существенных различий в режимах нагружения и во внешних условиях работы как между группами подшипников, так и между типами внутри каждой группы. Поэтому при33
веденная таблица не является характерной для всех подшипников, но в какойто степени отражает соотношения между основными причинами отказов различных типов подшипников.
Известно, что при трении качения (в нормальных условиях) происходит
окислительный износ, а при нарушении нормальных условий работы — усталостный (осповидный) износ. Последний является дефектом, препятствующим нормальному функционированию всего механизма.
В подшипниках скольжения возможны: схватывание I рода - при минимальной скорости скольжения и максимальной нагрузке, окислительный износ при средних скоростях и нагрузке, и тепловой износ при максимальных скоростях и нагрузке. При наличии абразивной среды может возникнуть абразивный
износ или (при мягких абразивных средах) своеобразный окислительный износ.
Осповидный, тепловой и абразивный виды износа обычно не являются
эксплуатационными. Эксплуатационным видом износа является в большинстве
случаев окислительный износ, так как его интенсивность и состояние поверхностей трения обеспечивают максимальный (по сравнению с другими видами износа) ресурс подшипников.
Наиболее опасным является износ, появляющийся в результате схватывания поверхностных слоев трущейся пары, что при- водит к образованию глубинных трещин, вырывов материала поверхностных слоев (задиров), к налипанию одного материала на другой, и в конец концов, к заеданию подвижных соединений. Хорошо приработанные пары с достаточными зазорами после разрушения, возникшего при схватывании связей, могут еще некоторое время работать, что затрудняет выявление дефекта в условиях эксплуатации, хотя по
температуре узла, шуму и другим признакам можно судить о наличии неисправности.
Механическая энергия трения всегда превращается в тепловую, влияющую на окислительный износ положительно или отрицательно, - в зависимости
от степени пластической деформации контактирующих материалов. Замечено,
что если Н1>Н2 и S1<S2, где Н1и Н2 — твердости взаимно трущихся поверхностей, S1 и S2 — поверхности трущихся деталей, то при перегрузках пластическая деформация детали меньшей твердости ведет к взаимному внедрению металлов, к заеданию деталей. При Н1>Н2 и S1<S2это исключено.
Эксперимент, проведенный на хромированных стальных цапфах и вкладышах из мягкой стали, показал различие в их износостойкости в 15 раз. Сила
трения не учитывалась, так как ее действие и величина износа в общем случае
несопоставимы. На силу сухого трения влияет меньше факторов, чем это имеет
место у подшипников скольжения, работающих обычно при граничном трении.
В последнем случае играет роль состав пары смазка—вкладыш. Например, бронза типа Бр. АЖМЦ хорошо работает в минеральных маслах и очень
плохо - в смазках с глицерином. С последними хорошо работают бронзы, не
имеющие в своем составе железа и алюминия; в таких парах глицерин под воздействием выделяющегося тепла восстанавливает медь из окисной пленки,
имеющейся на поверхности бронзовой втулки. Восстановленная медь, обладающая повышенной активностью схватывания со сталью, покрывает стальную
34
цапфу сплошным прочным слоем. В результате две трущиеся поверхности оказываются разделенными слоем меди. Износ практически прекращается. Так
вредное в других случаях явление схватывания используется здесь как средство
повышения надежности.
Металлические подшипники скольжения по сравнению с подшипниками
качения имеют ряд эксплуатационных преимуществ: высокую несущую способность; сохранение работоспособности при увеличении скорости вращения и
при загрязнении смазки. Однако большие радиальные зазоры между цапфами и
вкладышами отрицательно сказываются на работе деталей, смонтированных на
валах (например, на точности зацепления зубчатых колес). Кроме того, отрицательным свойством является невозможность продолжительной работы на оптимальном, с точки зрения износа, режиме, так как условия работы подшипника (скорость вращения, температура, величина радиального зазора, вязкость и
состав смазки и пр.) меняются в зависимости от времени, внешних условий и
условий эксплуатации.
Шариковые радиальные подшипники имеют наименьшие потери на трение и нормально функционируют при перекосе колец, кроме радиальных, они
могут воспринимать значительные осевые нагрузки.
Способность радиально-сферических подшипников к самоустанавливанию
(в пределах 2…3°) компенсирует неточности изготовления и перекос осей при
нагружении элементов конструкции в эксплуатации. Конструкция подшипниковых узлов должна обеспечивать возможность осевой регулировки при сборке и
в процессе эксплуатации механизма.
Роликовые (кроме конических и двухрядных сферических) и игольчатые
подшипники необходимо оберегать от осевых нагрузок, а упорные — от радиальных. Неправильная конструкция подшипниковых узлов, неточность изготовления деталей и дефекты монтажа часто ведут к тому, что весьма чувствительные к нерасчетным нагрузкам подшипники качения работают в не предусмотренных условиях и быстрее выходят из строя.
Подшипники качения сильнее, чем подшипники скольжения, реагируют
на загрязнение смазки, на появление абразива между трущимися деталями, поэтому рекомендуется предохранять смазку и трущиеся поверхности от загрязнения, уплотнять возможные места проникновения абразива. При работе в условиях абразивной среды фетровые и войлочные сальники ведут к более быстрому износу цапф, чем кожаные и резиновые. При этом последние больше изнашивают закаленные твердые поверхности, чем мягкие, незакаленные.
Широко распространены подшипники скольжения с «сухой», в том числе
пластмассовой смазкой. Они обладают обычно хорошей износостойкостью, могут воспринимать значительные ударные нагрузки. Самосмазывающиеся «сухие» подшипники предназначены для труднодоступных мест механизмов, работающих в условиях вакуума, низких температур (до -273 °С и в абразивной
среде, а также для уменьшения числа смазочных точек. Все «сухие» подшипники могут также работать как с жидкой, так и с консистентной смазками.
35
Низкая теплопроводность пластмассовых подшипников ограничивает
скорость вращения цапфы. У металлопластмассовых подшипников теплопроводность значительно выше.
В зависимости от способа подачи смазки к трущимся поверхностям самосмазывающиеся подшипники разделяют на три группы.
Г р у п п а А — подшипники, у которых смазка по мере износа трущейся
поверхности восполняется вступающим в работу «новым» слоем, имеющем в
своем составе смазку.
Г р у п п а Б — подшипники, представляющие собой металлические втулки, на внутренних поверхностях которых нанесена (наклеена, напылена и пр.)
пленка из антифрикционной пластмассы.
Г р у п п а В — подшипники, представляющие собой тонкие стальные
втулки (свернутые из стальной ленты), поверхности трения которых покрыты
ровным, тонким пористым слоем антифрикционного сплава (обычно оловянистая или свинцовистая бронза). Свободный объем пористого слоя заполнен
смазкой, питающей трущуюся пару.
Наиболее перспективными являются подшипники группы В с фторопластовой смазкой. Принцип работы такого подшипника заключается в том, что
стальная втулка (лента) отводит тепло, возникающее на поверхности трения, и
несет основную часть нагрузки, а тонкий поверхностный «губчатый» антифрикционный слой и находящийся в его порах фторопласт-4 уменьшают силы трения.
Широкому распространению таких подшипников способствовали их исключительные эксплуатационные свойства, а именно:
возможность работы без смазки в коррозионной, жидкой или газообразной среде;
возможность работы в абразивной среде и вакууме;
низкий коэффициент трения;
стабильность коэффициента трения при разных температурах и в различных средах;
отсутствие возможности попадания смазки из подшипника на другие детали;
малые габариты и вес, а также большой срок службы.
Втулки и вкладыши «сухих» подшипников легкосъемные, и быстро устанавливаются. Для механизмов, имеющих обычно больший ресурс, чем подшипники, это очень важные факторы в обеспечении надежности.
Полимеры все более широко распространяются в машиностроении. Слоистые пластики, резина, фторопласт, поликапролактам, найлон и другие полимерные материалы успешно применяют в подвижных сочленениях. Работа целого ряда машин и механизмов невозможна без применения этих материалов в
подшипниках скольжения. Подшипники из слоистых пластиков в прокатных
станах надежно работают в течение нескольких месяцев, в то время как бронзовые способны работать лишь в течение нескольких смен.
Замена антифрикционных сплавов высокомолекулярными материалами
дает возможность добиться высокой производительности машин, увеличить
36
межремонтные сроки их службы, повысить надежность и безопасность их работы. Однако в ряде случаев синтетические материалы внедряются очень медленно. Это объясняется тем, что машиностроители еще не располагают достоверными данными об их потенциальных возможностях. Опыт подсказывает,
что проблемы автоматизации, высокой производительности и безаварийной работы машин не могут решаться без применения синтетических материалов, а
следовательно, без знания их свойств и условий рациональной эксплуатации.
Применение полимеров в машиностроении (например, в узлах трения
машин и механизмов) осуществляется в основном, на основе эмпирических
данных. Результаты проведенных исследований в области физической химии
полимеров, в частности, в области механохимии полимеров позволяют более
глубоко понять сущность процессов, происходящих на конструируемых поверхностях трения металла с полимером.
При скольжении полимера по металлу и, следовательно, при воздействии
нормальных и тангенциальных напряжений в поверхностных слоях полимера
деформируются и механически разрушаются отдельные молекулярные цепи.
При этом образуются свободные валентные радикалы и макрорадикалы. Поверхностные слои полимера теряют химическую инертность и приобретают
способность вступать в химическое взаимодействие с металлом.
Большая роль в протекании химических процессов при трении и износе
металлического вала полимером принадлежит также изменениям физических
свойств ультрамикроскопических поверхностных слоев металла, которые вызываются упругими и пластическими деформациями. Эти изменения могут происходить при тонкой механической обработке металла, например, при полировании.
Современные электронографические исследования показывают, что верхний слой механически полированного металла состоит из мельчайших кристаллов (субмикрокристаллов).
Вопросу пластических деформаций поверхностных слоев металла уделяется особое внимание, так как при деформации наблюдается изменение важных
физико-химических свойств металла: увеличивается электрическое сопротивление, растворимость в кислотах, усиливаются диффузионные процессы, изменяется структура, ухудшается коррозионная устойчивость. Кроме того, в процессе изнашивания деталей машин происходит оголение металлических поверхностей, покрытых естественными и искусственными защитными пленками
и, следовательно, на отдельных микроучастках образуются ювенильные поверхности. Ювенильная поверхность металла обладает высокой химической активностью даже при отсутствии тех деформаций, которыми сопровождается износ.
Таким образом, трущиеся поверхности как полимера, так и металла находятся в метастабильном состоянии, при котором изнашиваемые материалы химически взаимодействуют.
Достижения в области физической химии полимеров позволяют объяснить механизм износа металлополимерной пары трения следующим образом.
При трении контактируемых поверхностей возникает возможность механическо37
го крекинга макромолекул полимера, обусловливаемая большой вероятностью'
локализации механической энергии на отдельных участках полимерных цепей.
При определенных условиях в макромолекулах возникают внутренние напряжения, превышающие прочность ковалентной связи, в результате чего происходит разрушение макромолекул на свободные радикалы.
Изнашиваемая поверхность металлического контртела, деформируемая
род воздействием нормальных и тангенциальных сил и оголяемая от пассивирующих пленок, также находится а химически активном состоянии.
В таких условиях свободные радикалы и химически активные участки поверхности металла могут взаимодействовать. Продуктом этого взаимодействия
являются тончайшие пленки, по, своему составу отличные от исходных материалов (полимера и металла). После удаления этой пленки под воздействием
тангенциальных сил процесс возобновляется. Такой процесс износа называют
механо-химическим.
В лабораторных условиях установлено, что пленки вторичных структур
образуются как при сухом, так и при граничном трении с неполярными смазками. Такие пленки возникают даже на кольцах из железа армко, изнашиваемых образцами из политетрафторэтилена. Особенно убедительны исследования
износа пары трения армко-железо — фенолформальдегидный текстолит в инертной среде при сухом трении. Оказывается, что пленки вторичных структур на
металлических поверхностях образуются как в воздушной так и в инертной
средах. Следовательно, основным окислителем металлической поверхности является не кислород воздуха, а изнашиваемый полимер.
Способность полимеров взаимодействовать с металлическим и полиметаллическим контртелом в процессе трения, окислять металл, образовывать
коррозию, образовывать промежуточные пленки может быть использована
весьма эффективно. Так, например, коллекторы электродвигателей и генераторов высотных самолетов сильно изнашиваются угольными щетками. На
обычных же высотах полетов их износостойкость весьма и весьма удовлетворительная. Износостойкость коллекторов значительно повышается, если в материал угольных щеток ввести некоторый процент полиэтилена; объясняется это
следующим образом. При взаимодействии макрорадикалов полимера с металлической поверхностью коллектора образуются продукты этого взаимодействия в виде пленок, обладающих сопротивлением сдвигу. Такие пленки в данном случае представляют собой смазочный слой и выполняют роль отсутствующего на больших высотах кислорода воздуха. Положительным является действие пленок при работе сочленений, смазываемых водой. Наличие таких
пленок значительно уменьшает коэффициент трения.
В некоторых случаях применение полимеров в паре трения с металлом
нежелательно. Например, износи металлических деталей движущейся нитью
в трикотажно-вязальных машинах больше в том случае при прочих равных
условиях, когда истирание деталей производится капроновой нитью. Износ тех
же деталей хлопчатобумажной нитью сравнительно незначителен.
Известны случаи интенсивности износа стальных валов электродвигателей, работавших в паре с текстолитовыми подшипниками. Однако износо38
стойкость металлополимерной пары бывает в 2,5…3 раза ниже, чем пары
стальной вал - бронзовая втулка.
Текстолитовые подшипники на легких тканях (с большим и средним содержанием полимера) интенсивнее изнашивают вал, чем на тяжелых (с меньшим содержанием полимера). Большим недостатком при эксплуатации металлополимерных пар трения является то, что при стоянке машины контактирующая с полимером поверхность вала подвергается коррозии. Установлено, что
после длительной стоянки статический коэффициент трения значительно повышается. Это объясняется прилипаемостью (адгезией) высокомолекулярного
материала к стальному валу. Таким образом, в одних условиях технической
эксплуатации полимеры обладают более высокими качествами антифрикционности, чем антифрикционные металлические сплавы, в других - более низкими.
Это вызвано тем, что наряду с механо-химическими протекают и другие попутные процессы, способствующие более интенсивному износу металлов.
Анализ реальных деталей машин показывает, что износ металлических
поверхностей происходит в некоторых случаях под воздействием электрохимических процессов. Такому износу может быть подвергнута, например, цапфа
стакана лопасти авиационного воздушного винта. В этом случае износ вала
обусловлен протеканием процесса химического взаимодействия между металлом
и полимером и образованием на металлической поверхности тонких пленок, неметаллических соединений. Поскольку образование пленок на поверхности трения носит дискретный характер, то однородность электродного потенциала металлической поверхности сильно нарушается. Наличие в смазке влаги или других электролитических примесей может привести к электрохимическому коррозионному разрушению металла. Последнее становится интенсивным, если скорость протекания электрохимического разрушения металла значительно выше,
чем скорость механического удаления пленок с поверхности трения.
Износ металлических поверхностей может также происходить под воздействием абразивно-химических процессов. Термин «абразивно-химический износ» характеризует явление, при котором причиной возникновения абразивных
частиц на рабочих, поверхностях является особая специфика процессов, сопровождающих износ сочленения металл — полимер.
При изучении микрорельефа участка тяги достаточно отчетливо просматривается сетка царапин. Эти царапины направлены перпендикулярно направлению движения тяги и по своему характеру напоминают результат, абразивного износа. Однако, при тщательном осмотре с помощью микроскопа капроновой
поверхности на последней не обнаружено абразивных частиц минерального
происхождения. На капроне можно отчетливо видеть темно-коричневые частицы высокой дисперсности. Среди темных продуктов износа на капроне имеются
и металлические частицы, о происхождении которых можно судить по металли
-ческому блеску. Максимальная величина таких частиц не превосходит 3…5 мк.
Неметаллические подшипники скольжения успешно применяются в оборудовании, обслуживающем прокатные станы: в рольгангах, пилах, ножницах и
правильных машинах.
39
Полимеры можно успешно применять в узлах трения, работающих в присутствии внешней абразивной среды. Подшипники из пластмасс обладают превосходством перед металлическими в шнеках для транспортирования сыпучих
тел. Положительные результаты наблюдаются при использовании текстолитовых подшипников в транспортерах, экскаваторах, строительных машинах.
Кроме фенолформальдегидных пластиков, применяют и другие неметаллические материалы, например, винопласт. Втулки и вкладыши из винипласта
устанавливают в мостовых кранах и тельферах. В результате наблюдения за работой металлополимерных узлов трения установлено, что после работы в течение нескольких месяцев втулки и вкладыши из винипласта и шейки металлических валов имеют очень гладкую блестящую поверхность. Долговечность втулок и вкладышей превышает 8…10 месяцев работы.
За последние несколько лет накоплен опыт применения в качестве антифрикционного материала капрона (поликапролактама). На изготовление различных деталей трения применяют не только чистую смолу (поликапролактам),
но и отходы текстолитного производства. Капроновые втулки широко применяют
в узлах трения.
Капроновые втулки хорошо зарекомендовали себя в пищевом машиностроении. При скорости 900 об/мин и смазке машинным маслом износостойкость капроновых втулок в 6…8 раз выше, чем бронзовых. Широко применяют
в качестве антифрикционного материала политетрафторэтилен (фторопласт-4)
для подшипников скольжения и уплотнений валов. Большинство находящихся в
эксплуатации подшипников из политетрафторэтилена представляет собой втулки или упорные шайбы. Применяют также конструкции подшипников из пористого металла, пропитанного политетрафторэтиленом. Фторопласт является
единственным материалом, который не разрушается в агрессивных средах.
Для повышения теплопроводности и механических свойств в некоторые
полимеры вводят различные наполнители. Так, например, используют сочетания
фторопласта с другими материалами, которые, повышая его несущую способность, не снижают антифрикционных свойств. Особенно целесообразен в качестве наполнителя графит. Без наполнителя фторопласт можно применять при
значениях а не более 27 кГ/см2, с наполнителями — до 135 кГ/см2.
Рис. 2 - Общий вид вкладышей с различными полимерами.
40
В качестве наполнителя применяют также дисульфид молибдена, добавление которого в найлон в количестве 2…3% позволяет повысить износостойкость шестерен, втулок, вкладышей в 6…8 раз.
Использование в конструкции рабочей поверхности только полимера имеет
большой недостаток - невозможность эксплуатации такого узла в широком
диапазоне рабочих температур. Следовательно, конструкция рабочей поверхности должна состоять частично из металла (для хорошего теплоотвода) и частично из полимера (для придания противозадирных качеств подвижному сочленению). Таковы, например, вкладыши из металлокерамики, пропитанной
полимером, или металлические вкладыши, облицованные тонкой полимерной
пленкой. Однако технология их производства очень сложна, а конструкция не
всегда надежна.
Вкладыш, показанный на рис. 2, имеет простую конструкцию, обладающую противозадирными качествами и сохраняющую высокую теплопроводность. Его рабочая поверхность состоит из чередующихся между собой участков металла и полимера. По образующим вкладыша профрезерован ряд пазов, в
которые запрессованы пластинки из пластмассы (протектора).
Протекторная защита вкладышей подшипников скольжения является
надежным средством управления механохимическими процессами, интенсивность протекания которых должна быть различной на разных режимах работы
опор скольжения.
Хорошие результаты получены на вкладышах, протектированных фторопластом-4, винипластом, эбонитом. Металлическая основа в одних случаях была выполнена из армко-железа, в других - из серого чугуна СЧ21-40.
3. КОНСТРУИРОВАНИЕ ОТЛИВОК. Литые детали составляют около 50% веса
всех машин, поэтому конструирование отливок имеет важное значение, тем более, что оно влияет не только на экономию металла, упрощение операций механической обработки, очистки, отделки и сварки отливок, на общее снижение
стоимости изготовления, но и на их
Рассмотрим некоторые основные специфические требования к конструкции отливок, связанные с долговечностью детали. К ним, прежде всего относится качество применяемого материала, во многом характеризуемое количеством
и составом примесей. Например, применение некоторых вакуумных сверхчистых сталей, имеющих минимальное количество примесей (без газов в расплаве), придает детали исключительные прочностные и антикоррозионные свойства.
Нержавеющая вакуумная сталь обладает в десятки раз большей стойкостью к агрессивным средам, чем выплавленная из то-то же сплава в открытой
печи. Рабочие лопатки турбин реактивных двигателей, отлитые из вакуумного
жаропрочного сплава служат в 2,5 раза больше, чем изготовленные из того же
сплава, но имеющие сотые доли процента примесей.
Форму отливки, зависящую главным образом от условий работы детали,
выбирают из условий прочности и жесткости с учетом свойств материала, величины, веса и способа изготовления отливки, возможности применения стан41
дартных форм. На выбор материала влияют условия эксплуатации машин, конфигурация
и габариты отливок, толщины стенок, возможность химического и теплового воздействия и способа изготовления, зависящего, в свою очередь, от перечисленных факторов и от требуемого качества поверхности.
Компоновка машин определяет общую конструкцию литой детали, но ничего не дает для выбора технологии её изготовления.
При выборе технологии в каждом конкретном случае необходимо учитывать не только принципиальные возможности ее применения, но и реальную
возможность ее осуществления. Конструкция литых деталей должна основываться на новейших достижениях техники. Примером таких конструкций являются «комбинированные» (цельные, но как бы слитые из отдельных деталей)
конструкции.
Основными преимуществами комбинированных литых деталей, с точки
зрения надежности машин, являются: увеличение жесткости и прочности машины, уменьшение числа деталей и соединительных элементов, а также поверхностей, требующих механической обработки.
Поскольку крупногабаритные комбинированные детали сложны в изготовлении, а стоимость изготовления модели соизмерима со стоимостью самой детали, большое распространение получили сложные комбинированные
отливки с ограниченными габаритами.
В некоторых случаях применения стального литья комбинированные детали заменяют сварно-литыми, расчлененными. Однако, несмотря на внедрение
новых видов сварки стального литья, применять их для ответственных деталей
не всегда целесообразно.
Расчлененная конструкция предусматривает разделение сложной отливки
на более простые. Это бывает уместно, если изготовление отливки связано с
большими производственными трудностями, если из-за не технологичности
конструкции получается много брака и если только отдельная часть отливки
требует особо точной механической обработки или применения более дорогого
сплава. Расчленение особо выгодно, когда отливка имеет большие выступающие части или представляет собой разветвленную конструкцию. Знакопеременные напряжения, превышающие допустимый предел, вызывают в отливках, как
и в других деталях машин, усталостные трещины. Скорость изменения нагрузки не оказывает большого влияния на усталостную прочность при условии, если она не больше некоторой критической величины, превышение которой
уменьшает предел выносливости. Изменение при этом структуры металла служит причиной возникновения усталостных трещин, появляющихся в наиболее
ослабленных местах. Если деталь имеет впадины в виде надрезов и выступы, то
усталостные трещины возникают именно в этих местах. В чугунных деталях
источниками местных ослаблений служат включения графита, оказывающие
отрицательное влияние на выносливость чугуна.
Одной из причин возникновения усталостных трещин в отливках является
неправильная конструкция приливов для болтов. Правильный способ заключается в сочетании соосного (со стенкой) расположения с плавными переходами. В
42
отливках из сплава с низким модулем упругости (алюминиевые и магниевые
сплавы) следует избегать редко расположенных болтов большого диаметра. В
этих случаях рекомендуется применять болты меньшего диаметра и располагать их
чаще.
Вопрос об усталостной прочности связан со способностью материала ослаблять (гасить) колебания. При переменных напряжениях материал с более низкой
прочностью, но с большей способностью гасить колебания часто оказывается более
стойким, чем материал, имеющий более высокую прочность и незначительную
способность гасить колебания. Одной из причин концентрации напряжений является неоднородность структуры и механических свойств металла в различных частях
отливки. Основным фактором, влияющим на Структуру отливки определенного
химического состава, является скорость охлаждения металла; она зависит от конструкции детали, толщины ее стенок, материала и формы. Распространен способ отливки с регулированием процесса кристаллизации.
Одним из испытанных и распространенных средств уменьшения остаточных
напряжений является обеспечение равнотолщинности детали - сведение толщин
всех стенок и ребер к какой-либо одной. Особенно большой чувствительностью к
разнотолщинкости характеризуются алюминиевые и магниевые сплавы.
Чтобы избежать или уменьшить концентрацию напряжений в отливках, при
конструировании необходимо:
 применять сечения, близкие к замкнутым;
 применять относительно тонкие стенки постоянной толщины, которые
в случае необходимости могут быть подкреплены ребрами;
 избегать применения слабонагруженных перегородок;
 предусматривать облегчающие окна и отверстия в неработающих
или слабонагруженных стенках и перегородках отливки.
 избегать толстых фланцев, укрепляющих выступов и заменять их
соответственно размещенными приливами;
 избегать выступов и впадин, острых углов и изломов; требование
максимальной обтекаемости одинаково относится как к внешним,
так и к внутренним контурам литых деталей при любой технологии
изготовления форм и стержней;
 обеспечивать высокую технологичность конструкции, обуславливаемую в основном отсутствием отъемных частей на модели и
уменьшением числа стержней;
 сводить к минимуму число и площадь механически обрабатываемых поверхностей; не допускать уступов после механической
обработки.
4. ТРЕБОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ К КОНСТРУКЦИИ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ. На выносливость сварной детали в условиях определенного
режима работы и воздействия внешней среды значительное влияние оказывает
ее конструктивное оформление.
43
Величина, направление и характер нагрузок в большей степени, чем
условия сопряжения с другими деталями и внешние условия, влияют на выбор
материала.
Поскольку лучшими сварными узлами и деталями являются конструкции,
выполненные из малоуглеродистых и малолегированных сталей, то они, при
прочих равных условиях, предпочтительнее.
Сварка легированных сталей связана с усложнениями технологического
процесса, возможной хрупкостью в околошовной зоне, нежелательными фазовыми изменениями в основном металле. Еще более осторожно следует применять сварку разных материалов, так как в этом случае еще труднее добиться высокого качества соединения. Детали из легких сплавов обычно сваривают из
металла одной марки в среде защитных газов.
Пластичные материалы работают в условиях вибрации лучше хрупких.
Разрушение при вибрационных нагрузках возможно и при напряжениях ниже
предела текучести, поэтому оно зачастую происходит хрупко, без пластических
деформаций.
Детали, работающие при ударной или вибрационной нагрузке, не всегда
соответствуют расчетной схеме, поэтому расчеты нередко следует дополнять
конструктивными соображениями, основанными на опыте, результатах испытаний и эксплуатации ана логичных конструкций.
Простые по форме конструкции лучше работают, свариваются, быстрее и
полнее осматриваются в эксплуатации, более надежны. Если узел все-таки получается сложным, то желательно применять листы, трубы, втулки примерно одной толщины, избегая тавровых или двутавровых сечений и конструкций криволинейного очертания; для улучшения работы узла с криволинейными очертаниями рекомендуется частая расстановка ребер жесткости (3…5 в пределах четверти окружности). Такая расстановка способствует уменьшению концентрации напряжений при сварке.
Крестовые соединения элементов являются характерными деталями с
резким изменением формы, резкими концентрациями напряжений в центральной пластине при сварке и нагружении. При увеличении расстояния а между
ребрами поля концентрации напряжений, возникающие в пластине по концам
ребер, не влияют одно на другое. Для снижения концентрации напряжений
применяют механическую обработку швов и специальную обработку концов
присоединяемых элементов.
Сварные узлы, имеющие относительно большие расстояния между параллельными швами, обычно имеют меньшую концентрацию напряжений, чем такие же детали с малым расстоянием между швами.
Для исключения или уменьшения концентрации напряжений желательнее
применять стыковые или тавровые соединения, чем соединения внахлестку, более присущие заклепочным швам. Из последующей электромеханической обработки (осветление, защитные покрытия и пр.) вытекают особые требования к
сварным узлам. Замкнутые сварными швами полости должны быть герметичны, а незамкнутые полости недопустимы. Выполнение этого требования ис44
ключает возникновение очагов коррозии в щелях между деталями, куда могли
бы проникнуть продукты травления, влаги и т. п.
Рис. 3 - Типы паяных соединений
По конструированию паяные детали существенно отличаются от сварных.
Типовыми соединениями при капиллярной пайке являются стыковые, внахлестку и вскос. Все остальные типы соединений являются комбинациями этих
основных типов. Паяное соединение, равнопрочное основному материалу, можно получить главным образом швами нахлесточного типа, позволяющими полнее использовать преимущества пайки. При качественной пайке припой заполняет весь зазор, не оставляя места для флюса, ослабляющего соединение и способствующего коррозии. Стыковые паяные соединения менее прочны и разрушаются по шву. Соединения вскос относительно редко употребляют из-за технологической сложности, а по прочности они располагаются между соединениями встык и внахлестку.
В изделиях, работающих при больших статических нагрузках, подвергающихся ударам или вибрации, стыковые паяные швы обычно не рекомендуются. При конструировании паяных соединений нельзя копировать конструктивные элементы сварных соединений. Необходимо стремиться к тому, чтобы паяный шов не располагался в зоне повышенных напряжений и был усилен прилегающими деталями.
Соединения фланцев или втулок с трубами, втулок со стержнем, труб с
заглушками, замкнутых сосудов и др., образующие замкнутый паяный шов, в
основном образуются швами нахлесточного типа. Для исключения возможного
коробления при пайке фланцы должны быть большей толщины, чем труба, а
обечайка в месте пайки - толще донышек. Резьбу рекомендуется нарезать после
пайки. Во всех случаях при повышенных требованиях к деталям следует увеличивать поверхность паяного соединения.
45
В конструкции, если это необходимо, предусматривают места расположения припоя. От правильности выбора таких мест зависит прочность и плотность соединения.
5. О МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ. Большинство деталей механизмов в процессе изготовления подвергаются механической обработке. Конфигурация каждой детали должна удовлетворять требованиям кинематической связи, прочности, технологии и специфическим особенностям материала. Выполнение этих условий обеспечивает надежность детали.
Качество кинематической связи зависит от точности изготовления и
прочности деталей (в частности, поверхностной прочности). Таким образом,
только для удовлетворения требованиям кинематического сопряжения, в которое входит деталь, необходимо комплексное решение ряда технологических
задач, касающихся допусков, чистоты поверхностей, упрочнения поверхностных слоев, закалки и пр.
Требования обеспечения надлежащей кинематической связи предъявляются в основном к активным деталям. Для базовых деталей к таким требованиям относятся, например, прочность и технологичность. Прочность деталей, изготовляемых механической обработкой при соблюдении расчетных сечений и прочностных характеристик материала, обеспечивается рядом технологических и конструктивных мероприятий. К последним относятся следующие.
1. Исключение возможности возникновения концентрации напряжений в
детали под нагрузкой. Для этого следует по возможности избегать резких переходов от сечения к сечению, проточек и впадин у наиболее нагруженных
мест детали, обеспечивать достаточно большие радиусы галтелей.
Концентрация напряжений возникает главным образом во впадинах; она
тем больше, чем глубже впадина и меньше ее радиус. У детали с несколькими
отверстиями очагом концентрации напряжений является отверстие, ось которого расположена в плоскости действия нагрузки. В деталях из хрупких материалов влияние отверстий, впадин и галтелей сказывается наиболее сильно.
Например, в деталях из закаленной стали ЗОХГСНА галтель должна иметь
радиус R  2,5 толщины наиболее тонкой стенки и не менее 3 мм. В резьбовых
деталях необходимо обеспечить плавный переход от резьбы к гладкой части.
В поковках и прокате следует учитывать направление волокон материала. Например, нормальные напряжения при растяжении, сжатии и изгибе
следует ориентировать вдоль волокон; касательные напряжения при кручении
и срезе — поперек волокон. Следует учитывать, что создание в детали предварительных напряжений, имеющих знак, обратный знаку рабочих напряжений,
является одним из средств повышения надежности.
2. Исключение нежелательных технологических напряжений в теле детали и на ее поверхности. Причиной таких напряжений может быть неправильно подобранный конструктором технологический процесс термообработки для конкретного материала. Желательно по возможности применять поверхностную закалку вместо закалки всей детали при условии, что при этом
не нарушаются другие требования. Цементация упрочняет поверхностный
46
слой металла, однако последующая шлифовка несколько разупрочняет тонкий
слой у самой поверхности.
3. Азотирование поверхности позволяет иногда исключить шлифовку как
завершающую операцию. При азотировании без шлифовки не срезается
упрочненный поверхностный слой, гарантируется его высокая твердость и исключается поводка детали, так как процесс происходит при относительно
низких температурах.
4. Высокочастотная поверхностная закалка стали дает хорошие результаты при закалке на глубину, равную 10÷20% радиуса галтели. Чем больше
радиус закаливаемого изделия, тем эта доля меньше. Глубиной закаленного
слоя условно считают расстояние от поверхности детали до структуры, содержащей 50% мартенсита и 50% троостита (полумартенситная зона).
Растягивающие остаточные напряжения на поверхности закаленных деталей приводят к снижению предела выносливости. Особенно сильно это сказывается при изгибе с наличием концентраторов напряжений.
Главную роль в процессе усталостного разрушения играют дислокации и
неоднородное строение металла, каждый кристаллит которого обладает анизотропией. В связи с такой неоднородностью строения и напряженности уже на
ранних стадиях деформирования возникают пластические деформации отдельных
кристаллитов и их групп, что вызывает перераспределение как напряжений от
внешних условий, так и остаточных напряжений при последующих циклах
нагружения.
Поскольку усталостные разрушения начинаются обычно с поверхности, то
исходное состояние поверхности оказывает большое влияние на выносливость. Чем
выше предел прочности стали, тем в большей мере снижается ее выносливость
при ухудшении качества поверхности. Неровности, образующиеся на поверхности,
являются «эффективными» концентраторами напряжений и служат одной из причин снижения выносливости.
Чувствительность металла к поверхностным концентраторам напряжений у
разных металлов различная и зависит от условий нагружения. В условиях циклического изгиба и кручения, когда поверхностные слои подвергнуты действию
более высоких напряжений, чем лежащие ниже слои, чувствительность к поверхностным концентраторам увеличивается по сравнению с условиями однородного
распределения напряжений по сечению детали (растяжение — сжатие). Однако
это положение не является общим: титан, например, в условиях кручения практически не чувствителен к концентраторам, тогда как при изгибе его чувствительность высока.
Ультрамикроскопические усталостные трещины образуются уже после
10…20% циклов общей долговечности. Видимая трещина образуется через
70…90% циклов, необходимых для разрушения образца. При частотах ниже 100
цикл/мин выносливость металла заметно ниже, чем при более высоких частотах.
Изменение частоты нагружений в интервале 500…5000 цикл/мин не вызывает заметного изменения предела выносливости; увеличение частоты до 60000
цикл/мин приводит к повышению предела выносливости на 5…12% (и существенно меняет долговечность и величину ограниченного предела выносливости).
47
При частоте выше 60000 цикл/мин после некоторого повышения предела усталости наблюдается его снижение.
При наличии концентрации напряжений трещина после своего образования
развивается при изгибе и кручении относительна медленно, так как быстро выходит из области максимальной напряженности.
Наиболее существенное влияние на выносливость оказывают следующие
факторы:
абсолютные размеры поперечного сечения деталей, т. е. масштабный фактор (с ростом размеров детали предел выносливости снижается);
концентрация напряжений ведет к снижению предела выносливости и оценивается эффективным коэффициентом концентрации (отношением предела выносливости образца без концентрации к пределу выносливости такого же по сечению образца с концентрацией напряжений);
при напрессовке деталей на вал или ось выносливость вала или оси резко
(в 2…3 раза) снижается из-за концентрации напряжений у края контакта и наличия
так называемой коррозии трения (электроэрозионного разрушения) и механического истирания поверхности (при циклическом нагружений имеет место небольшое, порядка 1,25∙10-6 см/с, скольжение соприкасающихся поверхностей);
при частоте нагружений до 100 и свыше 5000 цикл/мин выносливость металла снижается;
с увеличением чистоты обработки выносливость всех металлов возрастает;
кратковременное азотирование, наклеп поверхности дробью, поверхностная закалка т. в. ч. с последующей никелировкой или хромированием резко увеличивают коррозионную выносливость деталей.
Усталостная прочность деталей с закаленной поверхностью в первую очередь повышается благодаря сжимающим остаточным напряжения в закаленном
слое.
Поверхностная закалка уменьшает также чувствительность к надрезам,
сводя ее при определенных условиях к нулю благодаря действию сжимающих
напряжений. Надрез в зоне сжатия не снижает пластичность и работу разрушения, а в некоторых случаях даже увеличивает пластичность.
Преимуществом поверхностной закалки перед сквозным нагревом является
уменьшение количества трещин, уменьшение коробления, а также отсутствие
окисления и обезуглероживания вследствие большой скорости нагрева.
5. Поверхностное упрочнение достигается также в результате наклепа при
механической обработке. Однако достаточные напряжения в поверхностном слое
металла могут быть сжимающими только при скоростной обработке металла, поэтому ответственные детали, обрабатываемые в закаленном состоянии, желательно конструировать таким образом, чтобы их можно было обработать скоростным методом.
Конструктор, назначая чистоту обработки поверхности детали, должен учитывать определяющее влияние состояния поверхности на надежность. Поверхностные слои детали наиболее нагружены и разрушаются в первую очередь, на
что в большой степени влияют шероховатость и дефекты поверхности.
48
Влияние чистоты обработки на качество изделий изучено достаточно подробно: повышение класса чистоты увеличивает статическую прочность, предел
выносливости и коррозионную стойкость. При этом влияние чистоты обработки
сильнее проявляется на твердых сталях, чем на мягких.
Высокое качество поверхностей позволяет получить новые виды обработки деталей, являющиеся физико-химическими процессами энергетического
воздействия на твердое тело и имеющие ряд преимуществ перед механической обработкой деталей:
независимость обработки от твердости и вязкости исходного материала;
возможность применения относительно больших мощностей;
отсутствие силового воздействия на обрабатываемую поверхность;
возможность выполнения ряда операций, неосуществимых при механической обработке.
Различают следующие четыре вида физико-химических процессов обработки.
1. Электроэррозионный, при котором энергия импульсных электрических
разрядов между инструментом и изделием преобразуется в тепло, выплавляющее частицы обрабатываемого металла. К этому способу обработки относится общеизвестный электроискровой, применяемый преимущественно для
точной обработки небольших деталей, вырезки фасонных контуров твердосплавных вырубных штампов, изготовления узких щелей и малых отверстий.
Электроимпульсная обработка, при которой металл снимается импульсным дуговым разрядом, применяется для обработки фасонных поверхностей
ковочных штампов, пресс-форм, форм для литья, турбинных лопаток и колес,
соединительных каналов в гидроаппаратуре и т.д. Обдирку слитков из спецсталей производят электроконтактным способом: металл обрабатывается вращающимся стальным диском; между изделием и диском возбуждается мощная
электрическая дуга.
К этой же группе относится широко распространённый анодномеханический способ обработки, состоящий в том, что металл снимается вращающимся электродом при комбинированном воздействии электрической дуги и
анодного растворения (разрезка заготовок из спецсплавов, внутреннее и
наружное шлифование).
2. Лучевой способ - воздействие на металл концентрированными световыми, электронными или ионными лучами высокой плотности энергии. Металл снимается в результате преобразования этой энергии в тепловую непосредственно в зоне обработки. Применяют этот метод для получения сверхмалых отверстий, для контурной вырезки и других целей.
3. Ультразвуковая обработка — импульсное ударное механическое воздействие на материал. Применяют для обработки твердых и хрупких материалов.
4. Электромеханические способы обработки металлов и сплавов (преобразование электрической энергии в энергию химических связей - анодное растворение). К ним относятся обработка в среде проточного электролита и комбинированный способ электрохимического и механического воздействий. Электроме49
ханические способы при полной взаимозаменяемости с механической обработкой иногда обеспечивают обработанной детали большую надежность.
Качество и надежность детали определяются не только рациональной
простотой ее конструкции, прочностью, износостойкостью коррозионной стойкостью, рациональной конфигурацией и чистотой обработки, но и такими третьестепенными факторами, как четкость чертежа и ясность в выборе (прежде
всего у конструктора) технологических, размерных и сборочных баз. Желательно
(по возможности) объединять базы сборочную (поверхность, по которой деталь
сопрягается с другой деталью), технологическую (поверхность, по которой
устанавливают деталь при обработке) и мерительную, от которой производятся
основные измерения. При различных базах погрешности обработки неблагоприятно суммируются и приводят к нарушению положения детали в машине. В
этом случае следует тщательнее обрабатывать технологические базы, хотя и не
они одни являются определяющими в положении детали в машине.
50
Лекция. 4 ПУПИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ДЕТАЛЕЙ,
УЗЛОВ И СИСТЕМ В ПРОЦЕССЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПЛАН
1. УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ И ВЫНОСЛИВОСТИ ДЕТАЛЕЙ
2. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СБОРКИ
3. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА И НАДЕЖНОСТЬ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Литература
Базовский.И. Надежность. Теория и практика. Пер. с англ. -М. «Мир»,
1975. – 388 с.
Справочник по надежности. Пер. с англ.Т. I, II, III. -М.: «Мир», 1970.472 с.
Надежность и эффективность в технике: Справочник : В 10-ти т.- М.:
Машиностроение, 1986.Т.1.- 278 с.
Дерягин Б. В., Кротова Н. А. Адгезия твердых тел.- М.: Наука, 1973.279 с.
Костецкий Б. И. Надежность и долговечность машин.- Киев: Техніка,
1975.- 226 с.
Владимиров В.Н. «Приборы автоматики малых холодильных машин»
Донецк: ДонГУЭТ, 2004. - 253 с.
Владіміров В.М. Прилади автоматики малих холодильних машин.
Донецьк: ДонГУЕТ, 2004. - 249с.
Владимиров В.Н. Малые холодильные компрессоры. Донецк: ДонГУЭТ, 2005.- 330с.
14. Владимиров В.Н. Диагностика, ремонт и монтаж оборудования:
Конспект лекций - Донецк: ДонГУЭТ, 2005. - 132с.
На качество реализации спроектированной конструкции, на ее работоспособность и надежность в значительной мере влияют технологические процессы
изготовления деталей, сборки и регулировки механизма. Задачи технологии производства в области повышения надежности конструкции состоят в обеспечении
предусмотренных при конструировании свойств элементов механизма и системы
в целом, гарантирующих в определенных условиях эксплуатации их нормальную
работу в течение заданного срока службы.
Требования к технологическим процессам различных способов обработки
деталей и сборочных работ в основном следующие:
51
они должны обеспечить на предполагаемый срок эксплуатации или длительного хранения приемлемую стабильность формы детали, а также физикохимические свойства материала, особенно поверхности детали;
желательно максимально возможное исключение субъективного фактора
(предельное уменьшение количества операций и переходов выполняемых при изготовлении и контроле деталей с участием человека), максимальная автоматизация
изготовления, контроля и отбраковки деталей;
необходимо сводить к минимуму количество проявляющихся в процессе изготовления труднообнаруживаемых дефектов.
К грубым, легкообнаруживаемым дефектам детали относятся отклонения от
заданных размеров, чистоты поверхности, наличие раковин, забоин, пористости,
макро- и микротрещин. Такие дефекты легко фиксируются производственными
способами контроля. Их причинами являются субъективные ошибки рабочих и
контролеров при изготовлении и контроле и часто нарушение правильно выбранного технологического процесса.
К труднообнаруживаемым в условиях производства дефектам относятся
ультрамикротрещины, вредные внутренние или поверхностные напряжения в деталях, наклеп, отклонения толщины упрочненного слоя и пр., т. е. дефекты, определяемые с помощью специального, относительно сложного лабораторного оборудования, хотя иногда трудно провести грань между производственным оборудованием и лабораторными установками. Причиной этих дефектов является неправильно составленный технологический процесс изготовления деталей.
Ниже перечислены некоторые способы исключения трудноопределяемых
дефектов деталей подбором соответствующего технологического процесса и даны
краткие указания по сборке.
1. УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТИ
И
ВЫНОСЛИВОСТИ ДЕТАЛЕЙ.
Около половины всех заготовок, используемых в машиностроении, изготовляется
литьем. В последние годы развивается новое прогрессивное направление в технологии литейного производства, связанное с повышением геометрической точности отливок.
Величина припусков отливки часто определяет собой режим механической
обработки. При относительно больших припусках на механическую обработку
требуется большее число проходов, чем при малых. Увеличение числа проходов
при скоростном методе обработки или большая глубина резания при силовом методе ведут к повышению температуры детали в процессе срезания пластичного
слоя и связанными с повышенной температурой и давлением резца на поверхность детали физико-механическими изменениями в поверхностном слое, ухудшающими качество детали, в частности ее работоспособность. Небольшой припуск, срезаемый за один-два прохода и различный в отливках из разных металлов и сплавов, благодаря своим специфическим свойствам обладает хрупкостью,
уменьшающей усилие резания, температуру детали и местную температуру в
зоне стружкообразования. Это исключает или уменьшает наклеп и дефекты на
обрабатываемой поверхности, присущие многопроходному или силовому резанию пластичного металла.
52
Мелкие впадины, ступени, отверстия, образованные при отливке,
меньше снижают выносливость детали, чем эти же особенности формы, образованные механической обработкой.
На величину припуска влияют следующие факторы:
шероховатость поверхности, зависящая от способа отливки и культуры
производства на конкретном предприятии;
глубина распространения поверхностных дефектов (пористость, трещины);
сторона обработки детали (верхняя поверхность отливки всегда хуже
по шероховатости, наличию и глубине дефектов и пр.);
точность химического состава сплава (это в какой-то мере точность
учитываемой усадки при прочих равных условиях);
усадка после нормализации;
величина литейного уклона.
Качестве поверхности отливок, следует отметить, что точные по геометрическим характеристикам и приемлемые по чистоте поверхности (шероховатости — по ГОСТу) отливки при работе в подвижном или неподвижном соединении с другими чистыми и точными деталями все-таки требуют механической обработки для обеспечения надежности работы.
Перспективен новый способ получения разнообразных изделий (листов,
труб, панелей, прутков разного профиля и т. п.) из металлов, сплавов и других
материалов непосредственно из расплава, без механической обработки. При
этом получается 6 - 7-й класс чистоты; иногда чистота приближается к чистоте
полированной поверхности. Расхождение по толщине стенки достигает ±10%.
Этот способ изготовления деталей позволяет получить наиболее однородную по сравнению со всеми известными способами изготовления структуру металла. Однородность структуры определяет собой изотропность материалов и
большую «универсальность» его применения.
Листовая штамповка является прогрессивным методом формообразования деталей, часто заменяющим литье и механическую обработку. Тонкостенные оболочки, полученные вытяжкой, имеют высокие прочностные характеристики, особенно в осевом направлении (металл в таких оболочках фактически
не изотропен).
Механические свойства штампованной детали зависят от технологии изготовления и физико-химической характеристики листового материала. Последняя особенно существенно влияет при штамповке легированных сталей, поэтому материал, пред назначенный для листовой штамповки, должен быть подвергнут физико-химическому анализу.
Общеизвестно отрицательное влияние серы и фосфора на механические
свойства штампуемых сталей; вредным является также влияние растворенных в
металле кислорода и азота, образующих хрупкие оксиды и нитриды, и других
газов. Следует отметить повышенную склонность к старению, придаваемую
стали азотом.
53
Дефекты структуры листового материала (полосчатость, неметаллические
включения, крупнозернистость и т. п.) выявляются при испытании на штампуемость.
Особое значение имеет микроструктура сплава. При оценке величины
зерна у сталей по восьмибалльной шкале (балл № 1 соответствует самому крупному зерну) оптимальной для штамповки величиной зерна является № 5…7. Мелкозернистый материал при деформации упрочняется сильнее крупнозернистого.
Крупное зерно (№ 1…4) вызывает образование шероховатой поверхности и
способствует частым разрывам при глубокой вытяжке.
Если поверхность деформируемой заготовки плотно прилегает к инструменту, то она сглаживается, и размер зерна почти не влияет на прочностные и
другие качественные характеристики готовой детали.
При образовании умеренно шероховатой поверхности снижения механических свойств металла не наблюдается. Разнозернистость материала (неоднородность по величине зерна) приводит к неоднородной деформации отдельных
участков при штамповке и даже к разрушению материалов. Гетерогенные, т. е.
имеющие многофазную структуру, сплавы деформируются хуже, чем гемогенные из-за различного сопротивления пластическому деформированию и неодинакового упрочнения отдельных фаз.
Перегрев сплава при закалке ведет к оплавлению границ зерен, что приводит к ухудшению механических свойств, пузырчатости, межкристаллитному растрескиванию.
С увеличением толщины материала его пластичность и штампуемость несколько повышается (в основном у легированных сталей).
Увеличение скорости деформирования улучшает механические свойства ряда сталей, поэтому взрывной метод штамповки во многих случаях позволяет получить хорошие прочностные характеристики деталей. Однако перед штамповкой
необходимо испытывать на штампуемость листы каждой плавки, а не только каждой марки. Перед разработкой технологического процесса рекомендуется провести предварительную экспериментальную штамповку в сочетании с термообработкой и оценить величину упругой отдачи материала. Термообработка должна
быть по возможности завершающей операцией (перед нанесением защитных покрытий).
Не следует также допускать длительного хранения штампованных деталей
без соответствующей термической обработки, так как выдержка их под остаточным напряжением часто приводит к растрескиванию материала.
Задиры и забоины особенно нежелательны, так как они являются источниками концентрации напряжений и преждевременного разрушения деталей.
Для легких сплавов характерны следующие особенности горячей штамповки:
деформация в свежезакаленном состоянии, неоднократно по вторяющаяся в
технологическом процессе штамповки, несколько снижает предел прочности по
сравнению с пределом прочности, приобретаемым сплавом при старении, не
нарушаемом деформацией;
54
недостаточная для данной степени деформации температура нагрева заготовок приводит к разрушению штампуемого материала с характерным скалыванием по кромкам. Перегрев вытягиваемой заготовки и пуансона выше оптимальных температур сильно разупрочняет материал и приводит к разрывам стенок
деталей;
невидимые дефекты, связанные с несоблюдением оптимальных температур
нагрева (особенно с перегревом), выявляются при анализе структуры деформированного металла и прочностных испытаний. У магниевых сплавов, как и у
алюминиевых, несоблюдение оптимальных температур нагрева резко отражается
на прочностных характеристиках;
после остывания штампованных деталей, их размеры изменяются вследствие различия в коэффициентах линейного расширения у штампуемых сплавов и
стальных (или чугунных) штампов;
особенностью штампованных титановых деталей, с точки зрения надежности, является высокая чувствительность к надрезам, забоинам, потертостям и
пр., являющимся концентраторами напряжений;
магниевые сплавы чувствительны к скорости деформирования. Высокие
скорости штамповки не позволяют изготовлять сложные детали: заготовки разрушаются или приобретают низкие механические свойства. Наиболее ответственные операции штамповки необходимо производить при низких скоростях
деформации (не более 0,25 м/с).
При нагреве титановых сплавов выше 750 °С и выдержке при этой температуре более 30 мин на поверхности заготовки образуется хрупкий слой за счет поглощения титаном кислорода, водорода и азота.
Ряд процессов (старение и пр.), завершающихся иногда через относительно длительный промежуток времени, и трудновыявляемые дефекты листовой
штамповки проявляются в эксплуатации, в частности в аварийных ситуациях.
Действенным методом предотвращения брака и, следовательно, аварий, является тщательный контроль технологического процесса при штамповке: температуры
нагрева, времени выдержки, химического состава материала, его кристаллической
структуры и пр.
Широко применяют токарно-давильный метод изготовления деталей из
труднообрабатываемых материалов: нержавеющей стали, титановых сплавов, малоуглеродистой стали, алюминия и др. Преимуществом этого метода является
повышение предела прочности (образование мелкокристаллической структуры
материала в результате его обработки). Надежность деталей, изготовленных токарно-давильным методом, обусловливается еще и благоприятным расположением волокон материала. Детали, изготовленные таким методом, хорошо работают в условиях повторных знакопеременных нагрузок.
Почти каждая деталь в современном машиностроении подвергается механической обработке на металлорежущих станках для придания ей необходимого качества поверхности. Понятие «качество поверхности» включает в себя не
только геометрические характеристики и чистоту детали, но и физикомеханические свойства поверхностного слоя. Как известно, чистота обработки
поверхностного слоя существенно влияет на работоспособность детали, в част55
ности, на ее износостойкость выносливость, стабильность посадок и коррозийную стойкость.
Износостойкость детали в зависимости от конкретных сопрягаемых материалов и условий эксплуатации требует определенной (не всегда высокой) чистоты поверхности. Выносливость и коррозийная стойкость всегда растут с повышением чистоты поверхности детали, причем эффект повышения выносливости особенно заметен в зоне низких классов чистоты поверхности.
Что касается стабильности посадок деталей как функции чистоты поверхности, то чем чище сопрягаемые поверхности, тем точнее зазоры и натяги,
что особенно важно для подвижных соединений. Поверхность изделия имеет
большое значение для его механических свойств. Это объясняется не только
химическим взаимодействием металла с окружающей средой (например, образование окислов), но и сложными физико-химическими процессами. Работами
академика Ребиндера П. А. установлено, что адсорбция поверхностно активных
веществ из окружающей среды вызывает облегчение деформации. Объясняется
это тем, что такие вещества снижают поверхностную энергию металла, способствуя тем самым образованию разнообразных дефектов структуры и разрушению при меньших напряжениях, чем при отсутствии адсорбции.
Эти дефекты структуры представляют собой микротрещины(размер их не
превышает 500 А). Поскольку микротрещины имеют клиновидный характер и
напряжения, возникающие в остриях микротрещин под действием внешних сил,
во много раз превышают среднее по сечению напряжение, несущая способность детали существенно уменьшается. Кроме того, возникающие на поверхности изделия микротрещины являются теми воротами, через которые окружающая среда и содержащиеся в ней поверхностно активные вещества
могут проникнуть внутрь тела и отрицательно воздействовать на его механические свойства.
Во взаимодействии металла со средой основную роль играет не только
мономолекулярный адсорбционный поверхностный слой металла, но и так
называемый сольватный слой, имеющий толщину до десятых долей миллиметра.
Микротрещины по-разному влияют на изделия различных размеров.
Это выражается масштабным фактором, определяющим зависимость выносливости изделия не только от его материала, но и от размеров.
Чистоту деталей конструктор большей частью задает, исходя из условий
сопряжения ее поверхности с другими деталями или из условия достижения
точности размера при обработке. Часто выполнение этих условий обеспечивается 2-ым и 3-им классами чистоты, однако не всегда этот класс гарантирует необходимую выносливость детали. Нерабочие поверхности активных деталей, т. е. поверхности, не контактирующие с другими деталями механизма, в
условиях повторного нагружения должны иметь класс чистоты не ниже 5-го.
Чистоту рабочих поверхностей задают исходя из приведенных выше условий,
она также не должна быть ниже 5-го класса. Начиная с 7-го класса чистоты,
при прочих равных условиях, выносливость детали повышается менее интенсивно.
56
В большей степени, чем класс чистоты поверхности, на выносливость детали влияют те сопутствующие стружкообразованию физические процессы,
которые приводят к образованию глубинных трещин и концентраторов напряжений на поверхности обрабатываемой детали, а также к возникновению
электрохимической коррозии. Эти дефекты резко снижают выносливость детали. Общей причиной этих трех дефектов является определенное физическое состояние обрабатываемой поверхности непосредственно в зоне стружкообразования.
Физические процессы в этой зоне, имеющие место при резании металла
оказывают значительное влияние на физико-механические свойства обрабатываемых поверхностей и всей детали.
Обработка деталей резанием вызывает наклеп и нагрев поверхностного
слоя в зоне стружкообразования. Наклеп связан с появлением остаточных
напряжений сжатия или растяжения (в зависимости от режима резания), а
нагрев, не сопровождающийся фазовыми изменениями, ведет к образованию
остаточных напряжений растяжения. Если процесс резания связан с фазовыми превращениями (переход аустенита в мартенсит), то вследствие увеличения объема поверхностного слоя возникают остаточные напряжения сжатия. В
конечном итоге под воздействием наклепа и температуры в поверхностном
слое устанавливаются некоторые суммарные остаточные напряжения.
Изменение физических процессов, сопутствующих стружкообразованию в
необходимом направлении, может резко повысить выносливость и надежность
деталей и наоборот, - игнорирование влияний этих физических процессов на
качество поверхности детали ведет к резкому снижению их выносливости и
преждевременной поломке.
На местную прочность металла в зоне образования стружки влияет тепловое поле, распространяющееся впереди резца (зависит в основном от усилия
и скорости резания), и степень наклепа поверхностного слоя, являющегося
следствием пластической деформации и температурного воздействия на обрабатываемую поверхность в процессе резания.
При этом не следует отождествлять наклеп поверхности при резании металлов с наклепом, вызванным дробеструйными устройствами (свинцовая, чугунная, стальная дробь) с обкаткой шариками, роликами и чеканкой. Наклеп
при резании металлов происходит от одновременного воздействия на обрабатываемый металл пластических и упругих деформаций.
Развитие упругих деформаций сопровождается необратимыми пластическими перемещениями некоторой части атомов, а распространяющийся в
сплошной среде (в зоне опережающего течения) импульс сжатия, отражаясь от
поверхности обрабатываемого металла в месте стыка с резцом, растягивает металл и образует импульс растяжения; при этом возникают микротрещины, адсорбирующие молекулы окружающей среды. Адсорбированные молекулы играют роль своеобразных клиньев.
Такой слой, отличающийся хрупкостью поверхностной пленки из-за
наличия трещин, мгновенно развивающихся вглубь при малейших деформациях, с точки зрения выносливости детали не удовлетворителен, хотя такая хруп57
кость и способствует уменьшению усилия резания и повышает чистоту поверхности.
Снятие слоя металла с детали, в которой имеются остаточные напряжения, вызывает ее деформирование. Характер и распределение этих напряжений
показаны. При чистовой обработке новый напряженный слой вновь срезается, в
результате чего форма детали снова изменяется. Напряжения, возникающие
при чистовой обработке, уменьшаются на каждой последующей ступени обработки (снятия стружки).
Наклеп от механической обработки металла резанием большей частью
сопровождается охрупчиванием поверхностного слоя местными растягивающими напряжениями, идущими от трещины к трещине, с тенденцией к развитию
микротрещин в глубину детали, в то время как наклеп дробеструйный, обкаткой и чеканкой сопровождается благоприятными остаточными сжимающими
напряжениями в деформируемом слое и во многих случаях ростом его прочности. Однако охрупчивание поверхности обрабатываемой детали в зоне стружкообразования без глубинных трещин в обрабатываемой поверхности иногда выгодно с точки зрения выбора оптимального (по усилию резания и чистоте поверхности) режима резания.
Уменьшения количества и глубины трещин можно добиться, например,
сокращением зон прогрева детали и пластической деформации. При высоких
скоростях резания зона пластической деформации для многих сталей сильно
уменьшается (с 25…30 до 2…3 мм). Эта зона часто соответствует зоне прогрева
детали впереди резца - так называемому тепловому полю.
При малых, скоростях резания, соответствующих относительно небольшим температурам прогрева детали, роль адсорбированных молекул окружающей среды в развитии микротрещин ощутима. При больших скоростях резания
и соответствующих им высоких температурах прогрева процесс адсорбции молекул внешней среды в покрытый микротрещинами слой наклепанной поверхности детали не происходит, что увеличивает надежность детали. Однако для
многих металлов уменьшение влияния внешней среды на охрупчивание с ростом скорости резания с лихвой компенсируется влиянием высокой температуры.
У многих металлов в определенной зоне высоких температур (300…600
°С), как и при низких температурах (от -100 до -196 °С), наблюдается повышение хрупкости, так называемая тепловая хрупкость или синеломкость. Последняя сопровождается падением пластичности и ударной вязкости до 50…60%
первоначальных значений. В условиях статического нагружения (точение) минимальное значение пластичности и вязкости наблюдается при температурах
200…300 °С, а в условиях ударной нагрузки (фрезерование) - при 500…600 °С.
Верхний порог синеломкости повышается с увеличением содержания легирующих элементов и углерода в стали. Для мягких сталей область синеломкости смещается в сторону высоких температур (600 °С и выше) только при
больших скоростях резания. При этом их ударная вязкость снижается интенсивней, чем у твердых сталей. Например, для сталей 40Х, 40ХН наибольшая
58
хрупкость достигается при температурах 500…600 °С, а для сталей 30, 40 и 50
— примерно в зоне 250…400 °С.
Некоторые специальные стали, в том числе жаропрочные, охрупчиваются
наиболее эффективно при низких температурах, достигаемых обычно охлаждением детали с помощью СО2. Обработка в среде СО2 даже при относительно
высокой скорости резания не дает цветов побежалости. Эффективность обработки резко падает с появлением обычного синего цвета стружки. Применение
СО2 при скоростном резании неэффективно.
Отсутствие пленки окисла в зоне контакта резца с обрабатываемой поверхностью, обусловленное присутствием СО2, сопровождается явлением молекулярного схватывания, что, в свою очередь, ведет к образованию нароста на
резце и ряду сопутствующих явлений, разрушающих обрабатываемую поверхность.
По степени охрупчивания металла можно проверить эффективность выбранного режима. Усилие резания замеряют общеизвестными способами, но в
производственной обстановке правильность подобранного режима достаточно
точно определяется усадкой стружки. Малая усадка стружки при прочих равных условиях свидетельствует о правильности подбора теплоскоростного режима резания, о приближении металла в зоне резания к состоянию предельной
локальной прочности. Малая усадка стружки обычно свидетельствует об отсутствии «глубинных» микротрещин, снижающих выносливость металла Достижение предельного состояния в процессе скоростного резания является признаком эффективности выбранного режима. Если тепловой эффект, получающийся в процессе пластической и упругой деформаций срезаемого слоя, обусловливает охрупчивание металла и тем самым облегчает достижение предельного
состояния в зоне стружкообразования, то режим резания (в том числе и скоростной) подобран правильно.
При резании, в зависимости от характера трущейся пары (резец - обрабатываемый материал), наличия оксидной пленки, смазочно-охлаждающей жидкости и от режима резания, с разной интенсивностью происходит износ резца.
В процессе износа режущих инструментов наблюдается не только увеличение
микронеровностей на обрабатываемой поверхности, но и перенос продуктов
износа на поверхностный слой детали. Перенос продуктов износа сопровождается электрохимической коррозией и возникновением концентраторов напряжений в поверхностном слое, в результате которых значительно снижается выносливость детали.
Перенос материала резца на обрабатываемую поверхность носит дискретный характер и обусловливается силами молекулярного взаимодействия
между режущим инструментом и обрабатываемой деталью. Возникающая в
процессе резания высокая температура в зоне упругих и пластических деформаций усиливает химическое взаимодействие в зоне скользящего контакта.
Места расположения частиц износа представляют собой концентраторы
напряжений, которые далеко не всегда удаляются при последующей обработке, так как размеры зоны, где произошло явление молекулярного схватывания, т. е. образование «мостика» между режущим инструментом и обрабаты59
ваемой деталью, часто достигают значительной величины по площади и глубине.
Каждый очаг схватывания вызывает концентрацию напряжений и сопровождается снижением выносливости детали, что в комплексе с электрохимической коррозией, вызванной наличием частиц материала инструмента на обрабатываемой поверхности, делает ответственную деталь непригодной к эксплуатации.
Достижение предельного состояния в процессе резания снижает количество частиц продуктов износа режущего инструмента на обрабатываемой поверхности и способствует уменьшению их размеров, существенно увеличивая
выносливость и надежность детали.
Охрупчивание срезаемого слоя уменьшает износ резца в десятки раз, сокращая одновременно количество и величину микротрещин, имеющих тенденцию к развитию в глубину детали.
Охрупчивание срезаемого слоя достигается следующими способами:
доведением температуры срезаемого слоя в зоне опережающего течения
до значений, обусловливающих минимальный объем пластической деформации
при отделении стружки от обрабатываемой детали. Нагрев (или охлаждение)
может производиться предварительно, до механической обработки. Для сталей,
у которых оптимальной температурой, обусловливающей охрупчивание, является комнатная, эффекта минимальной пластической деформации срезаемого
слоя можно добиться только при малых скоростях резания;
введением в зону стружкообразования при малых скоростях резания соответствующей среды, кинетические единицы которой, проникая в кристаллическую решетку металла, охрупчивают срезаемый слой;
применением высоких скоростей резания (по отношению к определенным металлам). При этом наблюдается значительная локализация теплового
поля и пластических деформаций (деформирование происходит в сравнительно
небольших объемах).
Следует напомнить об отличии скоростного резания от силового. Они
сходны лишь в скорости снятия относительно большого припуска металла (но
не в скорости резания) и в высокой производительности.
Получистовая обработка, при которой широко применяются и скоростной
и силовой методы, характеризуется снятием стружки с поперечным сечением от
2 до 10 мм2 и чистотой поверхности 4  5 . Основными причинами, ограничивающими применение силового метода, являются большая глубина поверхностного наклепа (до 1 мм), характеризуемого неблагоприятными растягивающими напряжениями, высокие температуры в зоне резания, относительное увеличение зоны высоких температур, большие деформации детали как в начале
процесса резания, так и при срезании наклепанного слоя.
При скоростном резании в результате коренного изменения состояния
граничного слоя в зоне контакта с инструментом и резкого ослабления процесса
молекулярного схватывания меняется характер сил трения и интенсивность износа резца.
60
Скоростное резание для большинства металлов, в том числе для многих
сталей и чугунов, является наиболее прогрессивным методом обработки не
только с точки зрения экономичности, процесса резания (обычно этот фактор
был доминирующим при определении оптимальной технологии), но и с точки
зрения повышения выносливости и надежности детали.
В производственных условиях, ориентируясь на достижение минимального усилия резания, минимальной усадки стружки, можно подобрать состояние металла, близкое к предельному; при этом необходимо варьировать скорость резания, интенсивность подвода и состав смазочно-охлаждающей жидкости. Ответственные детали требуют выборочного лабораторного исследования
на наличие макротрещин в поверхностном слое, степень и глубину наклепа от
воздействия режущего инструмента, наличие продуктов износа резца на обрабатываемой поверхности и микрогеометрию поверхности.
Однако стали, имеющие наибольшую степень охрупчивания при высоких
температурах, соответствующих высоким скоростям резания, не всегда удается
обработать на оптимальном скоростном режиме из-за сложности конфигурации
деталей. Например, при нарезании резьб, обработке сложных кривых поверхностей на токарных станках и в некоторых других случаях нельзя обработать поверхность при высокой скорости резания. В этом случае применяют нагрев или
охлаждение детали.
Обычно термоподготовка необходима для ответственных деталей при
строгании, так как скорости резания в этом случае не могут обеспечивать
охрупчивания стали. Относительная сложность технологического процесса
строгания ответственной детали с ее подогревом или охлаждением оправдывается только тогда, когда его невозможно избежать. При изготовлении ответственных деталей, работающих в режиме повторно-переменных нагрузок, стремятся, как правило, заменить строгание фрезерованием.
Строганые поверхности, кроме всех отрицательных свойств, присущих
деталям без хрупкого срезаемого слоя (глубинных микротрещин, «расклинивающихся» адсорбируемыми молекулами внешней среды; концентраторов
напряжений на поверхности при интенсивном износе резца; интенсивной электрохимической коррозии и др.) обладают микрогеометрией поверхности, чрезвычайно благоприятствующей коррозии.
Опыт механической обработки подтверждает возможность управлять в известной степени состоянием поверхностного слоя. Это первый шаг на пути целесообразного использования закономерностей, связывающих физикомеханическое состояние поверхности детали с ее работоспособностью и надежностью.
Для деталей с резьбой (особенно с внутренней) наиболее трудно подобрать режим резания, обеспечивающий требуемую надежность. Известны
следующие методы изготовления резьбы:
нарезание резцами;
нарезание многолезвийными инструментами (гребенками, плашками,
метчиками, резьбовыми фрезами, профильными шлифовальными кругами);
шлифование предварительно нарезанной резьбы;
61
накатывание резьбы.
Последний способ является по существу не резанием металла, а пластическим перемещением и формованием его поверхностных слоев. Детали с
накатанной резьбой на 35…60% долговечнее деталей с нарезанной резьбой;
они отличаются повышенными механическими свойствами и большей коррозионной стойкостью.
Обычно накатывают только наружные резьбы, хотя существуют частные технические решения, позволяющие производить накатку внутренней
резьбы. При конструировании детали, имеющей резьбу, необходимо проанализировать возможность накатки последней.
Шлифование предварительно нарезанной наружной резьбы возможно для
резьбы любой конфигурации и угла наклона. Шлифование внутренней резьбы
ограничено ее диаметром, длиной и углом наклона, удобством закрепления
детали и возможностью соответствующей настройки станка. Поэтому шлифование предварительно нарезанной резьбы имеет большее значение для изготовления наружных резьб.
Нарезание резьбы шлифованием дисковыми и многониточными кругами малопроизводительная и дорогая операция, применяемая в основном в инструментальном производстве при изготовлении резьбовых калибров и точных метчиков.
Наиболее широко применяют универсальный метод нарезания резьб
(наружных и внутренних) резцами на токарных станках Скоростное нарезание
резьб твердосплавными резцами напоминает по физическим процессам в зоне
стружкообразования скоростную механическую обработку тел вращения резанием на токарных станках или плоскостей на фрезерных станках. Известны два
метода скоростного нарезания резьб на товарных станках: нарезание резцами (с
пластинками марок Т15К6, Т15К6Т и реже - Т30К4 и ВК8) и вихревой метод
нарезания (вращающимися резцовыми головками).
Наихудшие результаты дает распространенный метод нарезания резьб
резцом, подаваемым в поперечном направлении (перпендикулярно к оси винта) после каждого прохода (рис. 1). При эдем иногда в целях облегчения
условий схода стружки и уменьшения износа резца дают небольшое перемещение суппорту и в осевом направлении. Резьбы, выполненные этим методом,
характеризуются шероховатой, рваной поверхностью с трещинами и включениями продуктов износа резца. Скоростные режимы резания при таком методе нарезания не только не повышают, но даже понижают выносливость детали.
62
Рис. 1 - Схема нарезания треугольной резьбы
Другой метод заключается в том, что резец подается не перпендикулярно к оси нарезаемого винта, а под углом, равным половине угла профиля
резьбы (треугольной или трапецеидальной). В результате слой металла срезается не двумя главными режущими кромками, как при первом способе, а одной (рис. 2). Это значительно улучшает условия работы: стружка меньше деформируется и свободно выходит из резьбовой канавки. Резцу, являющемуся
фактически проходным, легче придать передний угол, чем при использовании
двухстороннего профильного резьбового резца. Резьбы, обработанные таким
методом при соответствующих скоростях резания, гарантируют ряд преимуществ (указанных выше), обеспечивающих, с точки зрения механической обработки, надежность детали.
Рис. 2 - Подача резца под углом, равным половине угла профиля резьбы
Применение отогнутых резцов, не требующих поворота резцедержателя,
придает большую жесткость системе (вылет резца меньше), обеспечивает лучшую чистоту поверхности и более высокую износостойкость резца.
В случае нарезания резьб с большим шагом, на большой длине или повышенной точности применяют черновое и чистовое нарезание, причем иногда
разными резцами, производя черновое нарезание по второму методу, а чистовое
— по первому, (чтобы деталь успела охладиться после черновой обработки, для
обеспечения точности). Однако, достигая необходимую точность, при обработке первым методом портят поверхность резьбы, а вместе с ней и всю деталь.
Желательно применять черновой и чистовой резцы проходного типа, позволяющие нарезать резьбы вторым методом.
Скоростное нарезание резьбы обычно осуществляют при скорости до 200
м/мин с толщиной стружки в предварительных проходах до 0,7 мм и при окон63
чательном проходе - до 0,3 мм. При такой технологии нарезания обеспечивается 2-й класс точности резьбы. Этот же класс точности можно получить и при
нарезании резьбы призматическими или круглыми гребенками в том случае,
если резьба открытая, не заканчивающаяся превышающим уступом.
В ответственных деталях резьбы рекомендуется нарезать двумя гребенками (черновой и чистовой) с расположением зубьев, имитирующим второй
способ нарезки отдельным резцом, и с направлением подачи под углом, равным
половине угла профиля резьбы.
Детали, имеющие прямоугольные, трапецеидальные и радиусные профили резьб и относящиеся обычно к силовым, ответственным элементам механизмов (подъемники, ходовые механизмы станков, шариковинтовые механизмы
и пр.) наиболее трудоемки в исполнении.
Достижение точного профиля, чистой рабочей поверхности, исключение
трещин, остаточных напряжений, а также дефектов, связанных с интенсивным
износом резца, осуществляется рядом проверенных на практике способов, из
которых наиболее распространены следующие.
1. Нарезание прямоугольной и трапецеидальной резьб осуществляется
черновым резцом, главную режущую кромку которого устанавливают на угол
подъема винтовой линии. В случае нарезания прямоугольной резьбы боковые
режущие кромки не принимают участия в процессе стружкообразовакия, а при
нарезании трапецеидальной резьбы обе боковые кромки режут одинаково хорошо (углы резания у них равны). Однако профиль нарезаемой резьбы не соответствует профилю резца, а дно канавки получается не плоским, а вогнутым. Это искажение тем больше, чем больше угол подъема винтовой линии.
Чистовое нарезание производят двумя резцами, каждый из которых зачищает
одну боковую поверхность резьбовой канавки.
Иногда чистовую обработку обеих боковых поверхностей прямоугольных и трапецеидальных резьб производят одним резцом, для чего переворачивают деталь в центрах. Боковые поверхности и дно канавки резьбы зачищаются резцом, главная режущая кромка которого устанавливается параллельно
оси детали.
2. Хорошие результаты дает метод токаря Ново-Краматорского завода
Карманова, который при нарезании трапецеидальной резьбы на тонких длинных винтах использует приведенный выше метод подачи резца под углом,
равным половине угла профиля резьбы.
3. Короткие гайки со свободным выходом резца нарезают жесткими
массивными резцами из быстрорежущей стали. Последнюю применяют потому, что скорости резания, необходимые для твердосплавных резцов, на
большинстве моделей станков при нарезании внутренних резьб не обеспечиваются.
Вместо охлаждающей эмульсии в полость гайки и на резец подают
сжатый воздух, охлаждающий резец и выдувающий стружку. Нередко применяют комбинированную попеременную подачу смазки и сжатого воздуха в
обрабатываемую полость. Кстати, наибольшее количество дефектов при наре64
зании внутренних резьб вызывается заклиниванием стружки между резцом
(борштангой) и обрабатываемой поверхностью.
Нарезка канавки радиусной формы требует установки комплекта чистовых резцов, каждый из которых обрабатывает отдельный участок профиля
канавки. Это необходимо для обеспечения нормальных условий стружкообразования и достижения качества поверхности, гарантирующего надежность детали. Поскольку шлифовка гаек практически неосуществима при большом угле наклона винтовой линии и при относительно большой длине гайки, то соответствующую чистоту необходимо получать уже при механической обработке
закаленной детали.
Хорошие результаты дает азотирование рабочей поверхности-гайки на
глубину 0,5 мм (стали 38ХМ10А, 40ХМА и др.) и обкатка радиусных резьб шариками под нагрузкой.
Одним из главных факторов, влияющих на получение хорошего качества обрабатываемой поверхности, является жесткость технологической системы СПИД (станок — приспособление — инструмент — деталь). Скоростное резание, осуществляемое при значительном сечении стружки, часто вызывает появление вибраций, снижающих точность обработки, ухудшающих качество обрабатываемой поверхности и этим уменьшающих надежность и долговечность
детали.
Нарезание резьбы затруднительно на деталях из жаропрочных сталей и
сплавов, плохо поддающихся резанию. При обработке сталей марок 1Х18Н9Т,
1Х14Н14В2М, ЭИ448, ЭИ437, вследствие их вязкости и низкой теплопроводности, в зоне резания возникают высокие температуры. В процессе резания эти
материалы сильно упрочняются (наклепываются). Резьбовые резцы для них изготавливают из быстрорежущей стали.
Скоростное нарезание резьбы является одним из наиболее результативных
методов повышения эксплуатационной надежности деталей с точки зрения технологии изготовления.
Способы быстрого выключения гайки ходового винта в конце каждого
прохода резца, автоматические приспособления для быстрого отвода резца, автоматическое реверсирование шпинделя и др. способствует распространению
методов скоростного нарезания резьб твердосплавными резцами. Наиболее
перспективным в массовом производстве является вихревой метод нарезания
резьб. При этом винты можно обрабатывать методами как внутреннего, так и
наружного касания. Резьба гаек нарезается специальной и затылованной четырехзубой фрезой. Скорости резания при скоростном нарезании вихревым методом значительно выше скоростей резания, применяемых при нарезании резцом,
закрепленным в суппорте. При обработке конструкционных сталей скорость
резания достигает 250…400 м/мин.
Для повышения точности при вихревом нарезании резьбы на ходовых
винтах фирма Бургмюллер унд Зенде снабжаетсоответствующие установки специальными корректирующими устройствами с оптической настройкой, позволяющими нарезать длинные винты с максимальной накопленной ошибкой по
шагу не более 0,03 мм на 300 мм длины.
65
ШЛИФОВАНИЕ. Дефекты обрабатываемой поверхности при шлифовании
связаны в основном с неправильным выбором режима резания, неудачным подбором шлифовального круга, неточностью его профиля, «засаливанием» и отсутствием необходимой жесткости технологической системы.
Одной из специфических особенностей процесса шлифования является
большое тепловыделение. Высокие скорости резания, достигающие 1200…1800
м/мин, большая работа деформации стружки за единицу времени в условиях
плохого теплоотвода обусловливают высокую температуру обрабатываемой детали. Выделяющаяся тепловая энергия поглощается прежде всего стружкой, затем в значительной мере шлифуемой деталью. Поверхностные слои детали при
этом нагреваются до температуры 700…1000 °С, при которой возможны фазовые превращения. Тонкие пленки аустенитной структуры (белые полосы со стороны риски) и металл различных стадий отпуска (темные полосы по сторонам
закалочной структуры) означают, что температура на шлифуемой поверхности
выше 900°.
Проверка твердости (по Виккерсу) показывает, что твердость на поверхности почти вдвое больше, чем во внутренних слоях. Поверхностные слои
нагреваются почти мгновенно, после чего тепло быстро отводится в глубь металла. Вследствие влияния больших скоростей нагрева на шлифуемой поверхности могут образоваться ожоги (темные пятна), желтизна, закалочные трещины.
Наличие этих дефектов на поверхности ответственных деталей недопустимо.
Вопрос о допустимости твердого наклепанного слоя, имеющего фазовые изменения, необходимо в каждом конкретном случае рассматривать отдельно, учитывая влияние предварительных технологических напряжений на работу детали. При этом следует учитывать, что измененный аустенитно-мартенситный
слой имеет относительно небольшую толщину
Правильно составленный технологический процесс во многом предопределяет качество поверхности и детали в целом.
Многолетней практикой обоснованы следующие рекомендации:
чем больше контакт между кругом и изделием, тем более мягкие и пористые круги следует применять;
при внутреннем шлифовании пользоваться мягкими кругами;
чем устойчивее и тяжелее станок, тем больше возможностей для пользования мягким кругом;
при работе на станках с ручной подачей пользоваться более жесткими
кругами, чем на станках с автоматической подачей;
при шлифовании углов применять твердые или комбинированные круги;
чем больше подача по ширине круга, тем он должен быть мягче;
скоростное шлифование при обычных скоростях вращения детали и продольной подаче уменьшают шероховатость по сравнению с обычными скоростями вращения круга, но при этом ухудшается износостойкость детали.
С целью повышения износостойкости при окончательной обработке следует по возможности уменьшать структурную неоднородность поверхностного слоя и создавать равномерные напряжения по всей поверхности. Этому
условию, между прочим, отвечает процесс гидрополировация.
66
Рассмотрим некоторые «кустарные» способы шлифовки.
Очевидно, что использование неприспособленных к выполнению шлифовальных работ помещений, оборудования, режущего и мерительного инструмента противопоказано, так как ведет к браку, нецелесообразным тратам времени и материальных средств.
Во всех видах механической обработки наиболее пагубное влияние на состояние обрабатываемой поверхности оказывает вибрация системы СПИД. При
наличии вибрации обработанная деталь имеет характерную «рваную», неоднородную по чистоте поверхность, отличающуюся мелкими поверхностными трещинами и локальным наклепом.
При обтачивании на токарных станках к возникновению вибрации приводит отсутствие жесткости в радиальном направлении. При торцовой обработке
большие вибрации возникают при точении от периферии к центру, чем в противоположном направлении. На продольно-строгальных станках технологическая
система СПИД более вибростойка, чем аналогичная система токарных станков,
а источником вибрации является в основном резец.
При строгании на поперечно-строгальном станке в большинстве случаев
имеет место технологическая система малой жесткости. Однако за счет взаимного расположения станины, детали; и резца можно значительно уменьшить
вибрацию.
Колебательная система расточного станка сводится в основном к шпинделю и скалке с ее опорами, а система токарного станка (при растачивании)— к
скалке, закрепленной в суппорте.
При фрезеровании вынужденные колебания являются следствием прерывистости процесса резания. Они могут происходить с частотой пz, где п — число оборотов фрезы в минуту, а z — число зубьев, или с частотой n, когда причиной колебаний является биение фрезы. Частота вынужденных колебаний
возрастает пропорционально скорости резания, а амплитуда вынужденных колебаний имеет наименьшие значения, когда отношение ширины фрезерования к
шагу винтовой линии зубьев фрезы (цилиндрическое фрезерование) или длины
дуги контакта к шагу зубьев (торцовое фрезерование) равно целому числу. Если
эти отношения не являются целыми числами, амплитуда колебаний возрастает
в 4…6 раз при торцовом фрезеровании и в 7…13 раз - при цилиндрическом.
Увеличение амплитуды колебаний с частотой п является следствием биения фрезы, вызываемого изгибом оправки, свободной посадкой фрезы на
оправке, эксцентричной заточкой и другими причинами. При резонансе амплитуда вынужденных колебаний резко увеличивается.
Автоколебания при токарной и фрезерной обработке имеют частоту в
пределах 50—250 гц, зависящую от жесткости системы. Режим резания (скорость резания и подача на зуб) существенно влияет на амплитуду автоколебаний. При возрастании скорости резакия последняя сначала возрастает, достигая
максимума, затем убывает; это относится как к автоколебаниям, так и к вынужденным колебаниям.
67
Причиной возникновения вынужденных колебаний и авто колебаний
является действие усилия резания. С увеличением глубины резания (ширины
среза) амплитуда колебаний увеличивается.
Активные детали, работающие при повторно-переменных нагрузках, чувствительны к дефектам поверхности, полученным из-за вибраций при окончательной (чистовой) обработке. В этом случае даже самые незначительные
вибрации могут привести к нарушению требований, предъявляемых к надежности детали.
Наибольшую роль при чистовой окончательной обработке играют вынужденные колебания, вызываемые плохой балансировкой вращающихся частей
станка, плохим качеством зубчатых передач, влиянием сшивок ремней, биением подшипников качения и др.
Во всех случаях прецизионной обработки большое значение имеет характер работы привода. Качество поверхности повышается при замене зубчатой
передачи ременной.
Автоколебания в условиях чистовой обработки часто возникают вследствие износа металлического резца, чрезмерно малого заднего угла и пр. При
шлифовке большое влияние оказывают вынужденные колебания, связанные с
плохой балансировкой круга, засаливанием, неправильным выбором характеристик и пр.
К универсальным средствам, уменьшающим или исключающим (в совокупности с другими средствами) все виды вибраций, относятся следующие:
повышение жесткости технологической системы СПИД; ведет к увеличению частоты колебаний, что, в свою очередь, влечет за собой уменьшение
амплитуды колебаний;
уменьшение колеблющихся масс;
увеличение сопротивления колебательному движению (с помощью виброгасителей).
Частными методами устранения вынужденных колебаний являются:
уменьшение возмущающих сил;
выбор такого числа оборотов шпинделя, при котором частота возмущающей силы далека от частот собственных колебаний, звеньев системы;
регулирование собственной частоты этих звеньев;
изоляция станка от влияния внешних сил.
Устранение автоколебаний основано на изменении режима резания, геометрии инструмента, характеристик технологической системы и на применении
виброгасителей.
При выборе режима, способствующего устранению автоколебаний, целесообразно:
избегать снятия широкой и тонкой стружки;
работать на скорости резания, находящейся вне «вибрационных зон»;
Для борьбы с вибрацией на токарном станке иногда работают перевернутым резцом («точение обратным ходом»), что особенно эффективно при поперечном фасонном обтачивании широкими резцами.
68
СОЕДИНЕНИЕ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ. Кузов или кабина автомобиля,
корпус судна, фюзеляж, крылья и оперение самолета изготовляют в основном
из листового металла, подкрепленного элементами жесткости. Опыт изготовления и эксплуатации агрегатов из листовых деталей показывает, что
качество неразъемных и разъемных соединений в значительной степени зависит от совершенства технологии выполнения таких соединений. Повышение
качества последних достигается в первую очередь механизацией технологических процессов производства и совершенствованием методов контроля.
Существуют следующие виды соединений листовых деталей между собой и с другими конструктивными элементами: болтовые, сварные, паяные,
клеевые и смешанные.
Имеются сравнимые показатели стабильности прочности (выносливости)
листовых конструкций из легких сплавов. Наиболее стабильными являются
клепаные соединения, затем следуют болтовые соединения; соединения, выполняемые точечной и роликовой сваркой и пайкой; наименее стабильна пока
прочность клеевых соединений.
Прочность материала листов, заклепок, клея или припоя в отдельности
значительно влияет на прочность соединения, но полностью ее не обусловливает.
Значительное влияние на прочность соединений оказывают их технологические и конструктивные параметры, поэтому прочность, жесткость и выносливость необходимо рассматривать как результат совместной работы в шве
силовых точек (заклепок, болтов, сварных точек) и листов (профилей) или соединяющего вещества (клея, сварного шва, припоя) и листов.
Концентрация напряжений гораздо больше в листах с отверстиями и
силовыми точками, чем в листах, соединенных непрерывным швом. Силовые
точки не только ослабляют сечение листа, но и вызывают неравномерное
распределение по нему напряжений. При передаче усилий через заклепку или
болт в листе с отверстием напряжения распределяются неравномерно (рис. 3,
а, б). На расстоянии от оси силовой точки, равном 2,5…3 её диаметрам,
напряжения в материале листа выравниваются.
Концентрация напряжений у отверстий значительна при статическом
нагружении и особенно при повторных и вибрационных нагрузках. Если на поверхности отверстий после обработки есть риски, царапины или трещины, то
выносливость такой детали значительно снижается.
69
Рис. 3- Концентрация напряжений в листе, вызываемая давлением силовой точки.
Некоторое отличие от болтовых и заклепочных силовых точек имеют
сварные. В последних кроме концентрации напряжений вокруг точки при сварке наблюдается нагрев, приводящий к изменению структуры материала листа в
зоне постановки точки.
Как в заклепочных, так и в болтовых соединениях, при нагружении листов со сварными точками напряжения распределяются по сечению листа неравномерно.
Существует несколько технологических методов снижения концентрации
напряжений в зоне отверстия. Особенно эффективно обжатие стенок отверстий.
Например, обжатие стенок отверстий на 10% первоначального диаметра повышает выносливость листа или соединения в 10 раз. Обжатие осуществляют конической оправкой, шариками, развальцовкой или дорнированием. С течением времени
эффект упрочнения отверстий несколько снижается (примерно на 10% приобретенной прочности).
Технология получения отверстий отражается на прочности узлов, соединенных болтами, винтами, высокопрочными заклепками, т. е. во всех случаях, когда
размеры стержней при установке их в пакет не изменяются. Если материал листов более пластичен, чем материал стержней, прочность соединения может оказаться недостаточной. В современных конструкциях автомобилей, судов и летательных аппаратов до 30% общего количества силовых точек выполняется в виде заклепок и винтов (болтов) с потайными головками.
Способ образования конического углубления под головку заклепки (зенковка, выштамповка и пр.), как и способ образования отверстий, может повлиять
на надежность соединения. Лучшими являются отверстия и конусы, выполненные комбинированным инструментом (сверлом с зенкером). Тип отверстия, способ его выполнения и гарантия соблюдения посадки также влияют на прочность
листа и соединения. При увеличении натяга взаимный сдвиг листов под нагрузкой
уменьшается, а жесткость и прочность шва повышаются. При этом прессовое
образование замыкающей головки предпочтительней, чем с помощью инстру70
мента ударного действия. Следует учитывать, что если при склеивании предел
прочности листов не изменяется, то при пайке, роликовой сварке и сварке
оплавлением прочность материала значительно снижается.
Одним из новых типов соединения листов является клеесварное соединение, имеющее ряд преимуществ перед другими. Существующая промышленная
технология позволяет производить точечную сварку листов с последующей
проклейкой клеем большой проникающей способности. Клей вводится в сварной
шов после сварки специальным приспособлением - «карандашом». Листы толщиной свыше 0,6 мм можно проклеивать до сварки, т. е. сварку производить по сырому клею. Высокая чувствительность клея к изменению температуры воздуха не
позволяет применить последний способ для соединения больших тонких листов.
Еще не изучены в должной степени некоторые вопросы полимеризации
клея, его старения. Однако доказано, что применение клеесварных соединений
способствует повышению (в 1,5…2 раза) статической прочности, а также выносливости.
Подготовка поверхности под точечную и роликовую сварку преследует
своей целью создание одинакового омического сопротивления во всех точках шва.
Стабильность сопротивления в зоне сварки позволяет получать сварные точки
почти одинаковой прочности.
Характерными дефектами клеесварных соединений из алюминиевых сплавов являются:
трещины и раковины усадочного происхождения в зоне отпечатка электрода;
непровар;
темная поверхность точек — перегрев электродов, плохая подготовка поверхности под сварку;
вытекание клея из соединения при термообработке.
СВАРКА И ПАЙКА УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ. Надежная работа сварной конструкции зависит от правильности выбора технологических режимов и приемов
сварки и квалификации разработки технологического процесса изготовления сварной конструкции.
Почти для всех марок сталей существуют оптимальные технологические
процессы. Значительно сложнее решаются задачи, связанные со сваркой разнородных материалов, так как при этом могут появиться переходные структуры,
глубина и протяженность которых растет с увеличением температуры (отпуска
или эксплуатационной). Со стороны углеродистой стали линия сплавления переходит в обезуглероженную прослойку шириной до 0,5 мм, а со стороны легированной - в прослойку повышенной твердости шириной до 0,2 мм. Наличие таких
прослоек приводит в процессе эксплуатации к разрушению детали в зоне сплавления.
Некоторые особенности сварных соединений, состоящих из углеродистой и
легированной сталей, обусловили ряд рекомендаций, а именно:
необходимо создавать условия наименьшего перемешивания в сварочной
ванне;
71
уменьшать скорость охлаждения, что позволяет избежать закалки в околошовной зоне;
обеспечивать наличие хрома в легированной стали, что исключает возможность образования обезуглероженной промежуточной прослойки;
избегать применения сталей с резко выраженной склонностью к воздушной закалке.
Для снижения напряжения в сварных конструкциях из конструкционных
сталей иногда применяют отжиг. Однако доказано, что отжиг во многих случаях
не повышает, а снижает выносливость сварных конструкций.
Вредными большей частью являются реактивные напряжения, возникающие вследствие неправильного закрепления свариваемых деталей и неправильной
последовательности наложения сварных швов.
Возникающие при сварке напряжения делят на три вида:
вызываемые неравномерным нагревом при сварке изделий из малоуглеродистой стали при отсутствии закреплений;
реактивные, вызываемые наличием закреплений какими-либо связями во
время сварки;
структурные, возникающие в околошовной зоне и вызванные нагревом выше
критических температур (напряжения, вызванные неравномерным нагревом, безвредны). Неуравновешенные реактивные напряжения снижают выносливость сварной конструкции. Реактивные напряжения, уравновешенные в пределах каждой
составной части сечения, не снижают выносливости сварных конструкций.
Технология изготовления сварного узла из малоуглеродистой или низколегированной стали сводится к получению шва высокого качества, в котором металл шва и околошовной зоны не уступает по прочности основному металлу при
условии обеспечения пластичности металлов указанных участков.
Выносливость сварных соединений значительно повышается при условии
выполнения сварных швов с плавными переходами к основному металлу (рис. 3).
В этом отношении хорошо зарекомендовали себя швы, выполненные на сварочных автоматах под слоем флюса.
Рис. 3 - Значение предела выносливости для сварных стыков швов с различной формой поверхности
Выносливость шва повышают методом поверхностного наклепа и изменением соотношений катетов при условии, что конструкция не эксплуатируется при низких температурах; (рис. 4).
72
Рис. 4 - Результаты вибрационных испытаний соединений внахлестку
Для конструкций, работающих в вибрационных условиях, полезны также
предварительные напряжения (при положительной температуре). Несколько
иные рекомендации даются для узлов, имеющих остаточные напряжения.
В легированных сталях, кроме напряжений, уравновешивающихся в микрообъемах, появляются структурные напряжения, уравновешивающиеся в пределах
макрообъемов, что приводит к значительным изменениям прочностных свойств
металла в зоне шва.
В связи с этим технология сварки легированной стали имеет ряд существенных особенностей: для сохранения требуемой структуры металла в зоне шва
применяют предварительный подогрев и последующую термическую обработку,
снимающую структурные напряжения. Вопрос о структурных напряжениях имеет значение только для сварных соединений из специальных сталей. Влияние
остаточных напряжений на прочность при статическом нагружении так же мало,
как и при ударном. Остаточные напряжения сказываются отрицательно при работе в условиях низких температур.
Предел выносливости сварного узла, имеющего остаточные напряжения,
при вибрационной нагрузке в основном зависит от концентрации напряжений и
от местных изменений свойств металла, которые возможны в процессе сварки.
Отжиг уничтожает остаточные напряжения, однако отрицательно влияет на предел выносливости. При отжиге снижаются прочностные свойства, как основного
металла, так и сварного шва.
При сварке в закреплениях образуются остаточные растягивающие напряжения, которые могут снизить прочность соединения (образовать монтажные стыки).
В монтажных стыках сварка замыкающих швов производится в условиях
достаточно жесткого закрепления, так как свариваемые в последнюю очередь детали не перемещаются.
73
При наличии жестких закреплений укорочение в области шва, вызванное
сосредоточенным нагревом при сварке, может привести к появлению трещин еще
в процессе остывания нагретого металла. Если это не произойдет, то оставшееся
так называемое реактивное напряжение, суммируясь с напряжениями от внешних
сил, может стать причиной снижения прочности и даже разрушения конструкции
в процессе ее эксплуатации.
Наиболее эффективной мерой борьбы с реактивными напряжениями является выбор соответствующей последовательности сварки (рис. 5), при которой эти
напряжения могут быть сильно снижены или устранены полностью (в швах, завариваемых в последнюю очередь, растягивающие напряжения сохраняются). В зависимости от направления действия напряжений от внешней нагрузки остаточные напряжения могут снижаться или повышаться.
Рис. 5 - Реактивные напряжения в монтажных стыках сварных двутавровых балок: а - при заварке стыковых швов в поясах в последнюю очередь, б - при заварке стыковых швов в поясах в первую
очередь, в - при роспуске швов.
При наличии концентраторов напряжений в сварных узлах повышение
выносливости последних может быть достигнуто применением локального нагрева
в удаленных от мест концентрации напряжений участках для создания в наиболее напряженных местах конструкции остаточных сжимающих напряжений. Рекомендуется также обжатие или механическая обработка шва.
Металлы, склонные к изменению структуры шва и околошовной зоны в
процессе сварки, рекомендуется сваривать в среде защитных газов. Для многих
цветных металлов и сплавов, в частности магниевых, сварка в среде защитных
газов является пока единственно приемлемым способом с точки зрения удовлетворения требованиям высокого качества соединения и его надежности.
Одной из разновидностей сварки является пайка. Прочность паяных соединений определяется формой шва, а также прочностью: собственно припоя в
шве; связи припоя с металлом основы; интерметаллических соединений, образующихся у границы между припоем и металлом основы; металла основы в зоне
74
шва после физико-химического воздействия расплавленного припоя и повышенной
температуры.
Прочность припоя определяется в основном его химическим составом; однако непосредственно в шве она отличается от прочности «чистого» припоя. Это
объясняется, например, тем, что в процессе пайки металл основы может частично растворяться в припое, изменяя этим его физико-механические свойства. Некоторые припои имеют склонность к трещинообразованию при кристаллизации.
Прочность связи припоя с металлом определяется характером физикохимического взаимодействия припоя и основы:
растворением металла основы в расплавленном припое;
диффузией составляющих припой элементов в металл основы;
химической реакцией между припоем и металлом с образованием интерметаллических соединений на границе, обладающих обычно хрупкостью.
Поскольку толщина слоя промежуточных химических соединений зависит
от температуры пайки и времени соприкосновения основного металла с расплавленным припоем, то для получения высокой статичности и в основном вибропрочности паять необходимо быстро и при минимальной температуре, при которой еще возможна пайка данным припоем (не выше 20…50° над точкой ликвидуса).
Швы, паяные свинцовооловянными припоями на деталях из стали, при испытании на срез разрушаются по припою, а при испытании на отрыв - по интерметаллическим соединениям олова и железа (FеSn2).
Особенно значительно тепловое воздействие пайки на свойства сплава после механической или термической обработки: в зоне нагрева происходит отжиг
нагартованных сплавов (в первом случае) или старение при недопустимо высокой
температуре (во втором случае). Эти дефекты сильно сказываются в случае
применения твердых припоев. При пайке алюминия значительно снижается прочность основного металла, что приводит к его разрушению при малых нагрузках.
Воздействие жидкого припоя на основной металл особенно существенно,
когда металл находится в напряженном состоянии.
Выносливость паяного соединения резко снижают пустоты, расположенные у края шва: они вызывают концентрацию напряжений, и деталь разрушается при нагрузках на 30…40% меньших, чем такая же деталь без пустот. Последние обычно неустранимы в паяном шве; их площадь изменяется в пределах
от 5 до 65% площади шва. Высокое качество паяного соединения характеризуется малым количеством или рассеянным расположением пустот.
На образование пустот в значительной степени влияют смачивающие способности припоя и флюса, а также относительная величина площади спая.
Если смачивающая способность флюса и припоя высоки (причем у припоя
больше, чем у флюса), то качество шва может быть вполне удовлетворительным. Чем больше площадь спая, тем труднее удаляется жидкий флюс из шва с
избыточным припоем и тем больше возможность образования многочисленных
раковин в результате разложения флюса.
Существенной причиной разрушения пайки является плохая предварительная очистка спаиваемых поверхностей.
75
ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО - ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ. Отжиг и
нормализация стали относятся к предварительной термической обработке, подготавливающей структуру заготовки к механической и окончательной термической обработке. Любой процесс термической обработки состоит из трех частей:
нагрева, выдержки и охлаждения. Длительность первых двух процессов (при
внешнем нагреве) мало влияет на структуру и свойства стали. Время нагрева и
выдержки зависит от размеров изделия, конструкции печи, величины усадки и
т.д. и устанавливается экспериментально.
В процессе предварительной термической обработки в открытых печах
часто происходит окисление поверхности (покрытие окалиной) и обезуглероживание (выгорание углерода). Для исключения этих вредных явлений термическую обработку ответственных деталей осуществляют в защитной неокисляющей газовой среде (диссоциированном аммиаке, углеводородном газе и лучше
- в древесноугольном генераторном газе).
Если в герметический тигель вместе с деталями закладывают кусочки
щелочного металла (лития, калия или натрия), то они, испаряясь при высокой
температуре и соединяясь с кислородом воздуха, полностью очищают от него
рабочее пространство тигля (печи).
Недогрев или перегрев при отжиге и нормализации ухудшают механические свойства стали. Пережог обычно связан с окислением металла по границам
зерен и является необратимым явлением.
При закалке стали могут иметь место некоторые из названных выше дефектов: окисление и обезуглероживание, перегрев, возникновение остаточных
напряжений.
Поскольку перегрев при закалке во многих случаях не проявляется сразу
после закалки и остается скрытым дефектом, обнаруживающимся лишь в процессе эксплуатации, его следует рассмотреть подробнее.
Сталь, закаленная с перегревом, имеет большую хрупкость и низкие механические свойства. При перегреве появляются трещины, а иногда наблюдается коробление детали. Современные виды контроля позволяют обнаружить дефекты, вызванные перегревом, однако при местном перегреве, возможном в
пламенных и электрических печах, неоднородность структуры стали и возникающие в детали напряжения затрудняют выявление дефекта. Исправляется
бракованная деталь (только в случае отсутствия глубоких трещин) отжигом и
повторной закалкой.
Существует ряд специфических дефектов, присущих процессу закалки:
снижение твердости, образование закалочных трещин, деформация и коробление детали.
Из этих дефектов неустранимым браком являются закалочные трещины.
Причин образования трещин много и не все они известны. Замечено, однако,
что они часто возникают из-за перегрева стали при закалке (крупнозернистый
блестящий излом) в деталях, имеющих резкие переходы и надрезы, из-за возникновения больших внутренних напряжений неправильного погружения в закалочную среду и неудачного выбора закалочной среды.
76
Наиболее опасные в этом отношении места перед закалкой должны быть
защищены от резкого охлаждения глиняной обмазкой или асбестовым шнуром,
на выступающие части следует надевать металлические хомуты, крышки и т. д.
Закаленные детали, особенно из легированных сталей, необходимо немедленно подвергать соответствующему отпуску. Промедление с операцией отпуска может привести к образованию трещин. При своевременном (не позже
чем через 30…40 мин после закалки) отпуске стали остаточные напряжения в
значительной степени снимаются, структура приближается к равновесной и
сталь приобретает необходимую пластичность и вязкость.
В изделиях, подвергнутых высокочастотной поверхностной закалке (и в
азотированных изделиях), наблюдаются опасные остаточные растягивающие
напряжения под упрочненным слоем. Это является следствием суммирования
температурных и структурных остаточных напряжений в слоях металла, близких к поверхности.
Предварительный подогрев детали, имеющей впадины (например, шестерни), до 500…600° в течение нескольких секунд при небольшой удельной
мощности
высокочастотного тока, с последующим скачкообразным ростом мощности до быстрого достижения закалочной температуры дает положительный эффект.
Следует избегать местной закалки, хотя для крупногабаритных деталей
она необходима. Целесообразен также кратковременный отпуск или самоотпуск. Температура нагрева при поверхностной закалке имеет большее значение, но именно при этом способе закалки она контролируется с большим трудом. Снижение остаточных напряжений ощутимо, если длительность самоотпуска достаточна для того, чтобы закаленный слой достиг заданной температуры.
Химико-термической обработкой стали (цементацией, азотированием, цианированием, борированием и др.) достигают тех же или более высоких результатов, чем поверхностной закалкой, однако наибольшая глубина упрочненного
слоя ограничивается величиной 1…3 мм.
В соляных ваннах с карбюризатором можно точно контролировать температуру и производить закалку непосредственно после ванны. Однородность
структуры, определенность глубины и твердости поверхностного слоя при
этом способе наиболее точны, хотя глубина цементации (до 0,3 мм) и размеры
цементуемых деталей ограничены.
Азотирование, протекающее при температуре 500…600°, не требует последующей термической обработки и обеспечивает более высокую твердость,
выносливость, износостойкость и коррозийную стойкость, чем цементирование.
Нередко у азотированных деталей Б процессе работы наблюдается «шелушение» поверхности; известны случаи шелушения деталей в условиях местной повторной нагрузки (при контактных напряжениях), иногда даже не достигающей средней эксплуатационной величины. Объясняется это наличием
резкого перехода от остаточных сжимающих напряжений в поверхностном
77
слое большей твердости к растягивающим напряжениям в слоях основного металла, близких к азотированному.
Причина образования этих переходов еще не изучена. Однако замечено,
что это явление в какой-то мере связано с излишним содержанием влаги в аммиаке (более 1,5%), наличием окалины на стенках печи, тигля, детали, коррозией азотируемых деталей, проникновением серы в газовую среду, плохой герметизацией. На качество азотированной поверхности исключительно
большое влияние оказывает химическая чистота поверхности, подлежащей азотированию, и чистота механической обработки (последнюю желательно иметь
не ниже  5).
Высокотемпературное цианирование связано с насыщением поверхности
углеродом и азотом при высокой температуре (800…900°), что ведет иногда к
температурным деформациям детали (низкотемпературное цианирование применяют в основном при обработке быстрорежущей инструментальной стали).
Глубина цианирования определяется составом газа и его расходом (обновление газового объема печи должно осуществляться каждые 10 мин), а
также температурой и продолжительностью процесса. Осуществленная на некоторых предприятиях полная автоматизация этого процесса дала исключительные результаты: брак по качеству поверхности был полностью исключен.
Однако иногда имели место температурные деформации, преимущественно у
деталей сложной формы, имеющих резкие переходы и стенки различной толщины
2. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СБОРКИ. Если основными факторами, определяющими технологию сборки, в некоторых машинах и механизмах являются конструкция, степень деления по узлам, габарит, то в других изделиях технологический процесс сборки определяется в основном характером
производства (опытное, индивидуальное, мелкосерийное, серийное или массовое). Последовательность сборки обусловливается конструкцией изделия, а
степень механизации процесса - характером производства.
Крупногабаритные машины и механизмы, выпускаемые мелкими сериями; требуют относительно большей затраты ручного труда при сборке, чем
мелкогабаритные, имеющие массовый выпуск.
При определении возможности механизации процесса сборки (кроме учета
специфических требований, заранее отражаемых в конструкции, в том числе
требований точности и взаимозаменяемости) учитывается экономическая целесообразность его механизации. Под термином «экономическая целесообразность»
понимают часто лишь удешевление технологического процесса (в данном случае
сборки), не связывая его с повышением качества и долговечности продукции.
При подсчете экономической целесообразности механизации сборочных работ должны быть отражены и предполагаемое увеличение ресурса, и уменьшение
числа ремонтов и их трудоемкости, так как рационально разработанная механизация и автоматизация сборочных работ всегда ведет к повышению качества,
надежности и срока службы.
Одним из важных факторов, влияющих на возможность механизации процесса сборки, является взаимозаменяемость деталей, определяющаяся точностью
78
выполнения заданных размеров. Точность изготовления деталей обусловливает
степень неподвижности или подвижности соединения, интенсивность износа подвижного или прочность неподвижного соединений.
Для обеспечения надежной работы машин в эксплуатационных условиях и
увеличения их ресурса зазоры или натяги в сочленяющихся деталях должны
находиться по возможности в узких пределах. Однако уменьшение полей допусков возможно только путем повышения точности обработки деталей, что иногда
вызывает увеличение брака, удорожание продукции.
При обеспечении заданной конструктором точности отдельных деталей в
процессе сборки может быть нарушена точность их взаимного расположения.
Такое нарушение выражается в линейных смещениях, перекосе осей, смещении и
непараллельности плоскостей.
Дефекты сборки усугубляются, если нарушается также точность размеров
деталей и чистота их обработки. На надежность ряда механизмов большое влияние оказывает чистота сопрягаемых поверхностей (имеется в виду исключение
посторонних материалов: абразива, стружки, лакокрасочных материалов и пр.).
От чистоты деталей, поступающих на сборку, во многом зависит качество приработки собранной машины в начальной стадии её эксплуатации и в известной
мере, дальнейшая работоспособность и долговечность машины.
Современные моечные машины обеспечивают промывку деталей горячими
щелочными растворами. Существуют специальные камеры для промывки деталей
бензином (под большим давлением) с последующей сушкой сжатым воздухом.
Однако пока технически не решен вопрос промывки части сопрягаемойдетали,
габарит которой (или другие причины) не позволяют пользоваться моечной машиной или камерой. В этом случае при ручной промывке может произойти (или
сохраниться) загрязнение. Именно загрязнением объясняется иногда заклинивание золотниковых устройств и наличие металлической стружки в фильтрах
гидросистем, риски на цапфах вала и преждевременный износ.
В машиностроение целесообразно внедрять опыт приборостроительных заводов, промывающих особо сложные по конфигурации детали в установках с использованием ультразвука.
Другой источник загрязнения деталей — введение инородных включений в
зазоры сопрягаемых деталей вместе со смазкой. Это возможно при открытом
хранении смазки и при нанесении консистентной смазки на деталь вручную.
При слесарной пригонке деталей неаккуратность исполнения может привести к
загрязнению металлическими опилками сопрягаемых поверхностей подвижных и
неподвижных соединений.
В местах, не удобных для защиты от попадания металлических опилок,
абразива и пр. при слесарной подгонке устанавливают отсасывающие устройства.
Гибкие шланги с полужесткой щелевой насадкой при разряжении в 250…300
мм вод. ст. прикрепляют у места обработки.
Включение слесарно-пригоночных работ в технологический процесс сборки
диктуется большей частью экономической нецелесообразностью достижения взаимозаменяемости в мелкосерийном и индивидуальном производстве. Однако в
крупносерийном производстве возможны операции пригонки при сборке. Иногда
79
пригонка деталей необходима для компенсирования неблагоприятного суммирования допустимых отклонений или в том случае, когда пригонка деталей экономически выгоднее (при очень малых полях допусков).
Наиболее распространенными видами пригоночных работ являются опиловка, зачистка, притирка, шабрение, сверление отверстий по месту, развертывание и
протягивание отверстий.
Качество обработки поверхности значительно влияет на выносливость и
износостойкость детали. При грубой обработке нарушается величина натяга неподвижного соединения в процессе сборки, а в подвижных соединениях при эксплуатации увеличивается износ. Применение для опиловочных работ механизированного инструмента, значительно снижающего трудоемкость, требует
определенных навыков. В руках недостаточно подготовленного рабочего шарошки и камни «бьют», обработанная поверхность имеет характерные неровности.
Достаточно высокую чистоту обработки обеспечивают шлифовальная машина и высокочастотные ручные зачистные машины. Для снятия очень малого
припуска или достижения плотного прилегания поверхностей применяют ручную или полумеханическую притирку. После обработки притирочным порошком (на притирочной жидкости) притертую поверхность необходимо обработать притирочной пастой ГОИ, что значительно повышает прочность поверхностного слоя и всей детали.
Преобладающими дефектами1 при сверлении являются неперпендикулярность оси отверстия и базовой поверхности, овальность отверстия, значительное увеличение диаметра отверстия по отношению к диаметру сверла («разбивка» отверстия). Соблюдение перпендикулярности оси отверстия по отношению к базовой поверхности гарантирует нормальную работу болтов и гаек
и правильность сопряжения деталей. Отклонение от перпендикулярности вызывает нерасчетные нагрузки у деталей крепежа, усложняет их работу и ведет
к преждевременному выходу узла из строя.
Ответственные узлы, в которых рассверловка в случае брака недопустима, рекомендуется сверлить сверлами двух диаметров: предварительная сверловка и окончательная. Диаметры отверстий до 5…6 мм рекомендуется сверлить за один переход. Причиной «разбивки» отверстия и его овальности является неправильная заточка сверла, биение в патроне или кривизна сверла.
Особенно трудно засверливать кондиционное отверстие длинным (напайным) сверлом. Тщательность заточки длинных сверл гарантирует в какой-то
степени от «увода» сверла (от получения отверстия в форме изогнутого цилиндра). В этом случае также рекомендуется сверлить набором сверл: от коротких сверл меньшего диаметра до длинных сверл необходимого диаметра.
При сверлении, как и при опиловке, рекомендуется применять дрели с отсосом
стружки.
Остатки черноты на обрабатываемой поверхности при развертывании
отверстий нарушают предусмотренную конструктором посадку и нередко ведут к дополнительному, не предусмотренному нагружению детали, находящейся в отверстии.
80
В шпоночных соединениях при наличии одной шпонки желателен относительно небольшой ее радиальный натяг — это предотвращает эксцентричность положения охватывающей детали относительно вала. При двух-трех
напряженных шпонках все шпонки следует забивать попеременно, легкими
ударами,, для лучшего центрирования охватывающей детали.
В соединениях с гарантированным натягом необходимо избегать посадки ударами. Рекомендуется нагрев охватывающих деталей в масляных ваннах
или токами высокой частоты, а также охлаждение охватываемых деталей
твердой углекислотой или жидким азотом.
Разборка неподвижных соединений с натягом нередко ведет к задирам
сопрягаемых поверхностей. Нанесение на сопрягаемые поверхности мелкодисперсного порошка дисульфида молибдена требует меньших, чем обычно,
усилий выпрессовки; в этом случае задиры при разработке не возникают.
Основными условиями обеспечения высокого качества сборки с помощью запрессовки деталей с натягом являются:
точное ориентирование запрессовываемой детали в приспособлении в
процессе запрессовки;
приложение усилия запрессовки строго по оси соединения и соответствующее расположению базовых опор;
исключение влияния неперпендикулярности торцовых и базовых поверхностей к осям запрессовываемых деталей созданием плавающих и самоустанавливающихся опор в приспособлении;
контроль за усилием запрессовки и контроль собираемых деталей по погрешностям формы (эллипсность по поперечному сечению, конусность по
длине и т.д.). Это важно с точки зрения анализа влияния искажения формы детали на работу машины.
Не выявленные при сборке дефекты подвижных соединений обычно обнаруживаются на заводе, в процессе проверки на функционирование. Узел или
механизм теряет подвижность или приводится в движение с большим усилием,
подшипники разогреваются, имеет место шум, характерный для неправильного зацепления шестерен, наблюдаются и другие характерные признаки неправильной сборки.
В большинстве механизмов одним из основных условий качественной
сборки агрегата является правильная сборка подшипниковых узлов. В подшипниках скольжения важно обеспечить определенный зазор между цапфой и
вкладышем. При излишнем зазоре вал перемещается во вкладыше, теряется
точность хода; при знакопеременных нагрузках появляется стук и вибрация.
Если зазор недостаточен, то нарушается смазка цапфы и вкладыша, в результате возможен повышенный износ, нагрев и заклинивание подшипника.
Зазоры, указанные в чертеже, при сборке необходимо несколько занижать, чтобы после приработки зазор соответствовал номиналу. В серийном и
массовом производстве вкладыши для получения необходимого зазора подбирают; в индивидуальном производстве их пришабривают. Сборка подшипников
скольжения с вкладышами из пластмасс облегчается при наличии разреза
вдоль образующей, компенсирующего изменение внутреннего диаметра вкла81
дыша, вызванное поглощением влаги и масла или расширением при нагревании.
Пластмассовые вкладыши чувствительны к так называемому «кромочному эффекту» — прилеганию поверхности цапфы только к кромке вкладыша.
В этом случае концентрация удельного давления на отдельных участках рабочей поверхности вкладыша может привести к растрескиванию, смещению частей вкладыша, выдавливанию и поломке.
Хотя монтаж подшипников качения менее сложен, но и в этом случае
требуется тщательно выполнять следующее:
обязательно удалять консервационную смазку (промывкой в горячем
масле и др.);
не допускать забоин, царапин,> стружки, ржавчины на цапфах;
строго выдерживать посадку пары подшипник - цапфа. Излишне тугая
посадка уменьшает радиальный зазор в подшипнике, ведет к увеличению
потерь на трение, быстрому износу. Излишне свободная посадка приводит к
выработке посадочных мест и также ускоряет износ подшипника; отклонение
посадочного места охватывающей детали от заданных размеров может привести к проскальзыванию кольца подшипника и его плохому закреплению
или к искажению формы (диаметр занижен или на поверхности имеются забоины, стружка, грязь);
напрессовку производить без ударов по подшипнику - это может привести к его поломке, к задирам на посадочной поверхности цапфы или к перекосу кольца.
во время проверки правильности работы запрессованного подшипника
следует контролировать осевой и радиальный зазоры. Величина их зависит
как от сборки, так и от регулировки. Чрезмерное уменьшение зазоров ведет к
большим потерям энергии на трение.
Нормальная работа зубчатых колес зависит от правильности их изготовления и сборки. Частыми причинами шума зубчатых колес — первого
«сигнала» о, дефектах — являются ненормальные колебания шага зубьев, перекос зубьев относительно оси колеса (при неправильном изготовлении колеса или шестерни, при напрессовке колеса на вал с перекосом, или при неправильном шпоночном соединении).
Для предотвращения этих погрешностей необходимо контролировать
при сборке предельный боковой зазор (индикатором или свинцовой проволокой), межцентровое расстояние и параллельность осей (специальными калибрами). Расположение пятна касания при проверке колес на краску позволяет
судить о правильности межцентрового расстояния. Обкатка зубчатых передач после сборки с уменьшенной нагрузкой улучшает условия эксплуатации
узла.
В конических передачах часты погрешности в межосевом угле, обнаруживаемые по характерному отпечатку. Устранение этого дефекта чрезвычайно затруднено, что обычно ведет к отбраковке всего узла.
Проверка механизмов на функционирование является завершающей
операцией после сборки и обкатки (если она необходима).
82
Опыт эксплуатации трубопроводов гидравлических систем с ниппельным соединением показал, что свыше 50% дефектов относится к разрушению
соединений трубопроводов. Ниже перечислены основные причины этих дефектов.
1. Некачественная развальцовка труб. Стенки трубопровода утончаются,
на штуцере образуются задиры, вмятины, материал наволакивается, образуются
складки, трещины. Рекомендуется трехроликовая развальцовка для труб диаметром свыше 10 мм.
2. Несоответствие углов развальцованной части трубопровода и конусной части штуцера; попытка устранить течь подтяжкой гайки приводит к
деформации и образованию трещин на развальцованной части трубы.
3. При поперечных вибрациях трубопровода утонченная стенка разрушается по окружности вблизи основания развальцованной части, т. е. в ослабленном месте; 50% дефектов ниппельного соединения приходится именно на это
место.
4. Поперечные вибрации трубопровода нередко суммируются
с вибрациями агрегатов, к которым он присоединен, и достигают величин,
вызывающих интенсивное развитие усталостных трещин.
5. Неизбежные при монтаже подтягивания или подгибка труб создают постоянные по величине остаточные напряжения. Их появление объясняется зазором или натягом между трубопроводом и штуцером. Для прямолинейных
участков трубопроводов длиной менее 2001 мм зазор недопустим. Для криволинейных трубопроводов длиной менее 200 мм зазор между соединяемыми конусами трубопровода и штуцера не должен превышать 0,5 мм.
6. Зазор между внутренней поверхностью ниппеля и наружной поверхностью трубопровода создает возможность возникновения переменных напряжений изгиба в сечении трубопровода у основания развальцованного конуса. Чем
меньше этот зазор, тем меньше вероятность разрушений.
Тщательный монтаж трубопроводов не только исключает серьезные
поломки, но и уменьшает возможность разгерметизации соединения, препятствующей нормальной эксплуатации системы.
3. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА И НАДЕЖНОСТЬ. Конечной целью совершенствования организации производства является коренное улучшение качества продукции, снижение ее себестоимости и улучшение условий труда человека.
Качество продукции улучшают совершенствованием технологического
процесса изготовления механизмов, в том числе контроля качества. В свою
очередь, технологический процесс совершенствуют внедрением прогрессивных
методов обработки и механизацией производства.
Технологический процесс изготовления детали и контроля ее качества
следует совершенствовать на всех этапах производственного процесса. Несмотря на различие в степени механизации и автоматизации на различных этапах производства, пути совершенствования технологического процесса имеют
много общего. К ним относятся следующие мероприятия:
83
уменьшение количества операций, в частности сокращение и упрощение
операций по формообразованию детали (точное и прецизионное литье, штамповка, прессование и др.);
ускорение операций (сокращение их длительности) применением многорезцового, комбинированного инструмента и сокращением количества фиксаций детали;
уменьшение припусков на обработку;
сокращение числа и длин транспортных линий;
внедрение изменений в конструкции детали, благоприятствующих применению более совершенных видов обработки;
внедрение передовых методов неразрушающего контроля;
создание высокопроизводительного оборудования, приспособлений, инструмента;
всемерное исключение влияния человека на качество детали в процессе ее
изготовления.
Автоматизация производства, являющаяся одним из средств повышения
качества и надежности изделий, коснулась таких традиционно «ручных» процессов, как литье (созданы автоматические цехи литья по выплавляемым моделям), термическая обработка и сборочные работы.
Система контроля качества в условиях автоматического производства является составной частью технологического процесса, но роль ее в процессе производства гораздо выше, чем, например, в механизированном производстве.
Объясняется это тем, что система контроля качества на автоматической линии
не только контролирует в процессе обработки заранее заданные параметры детали, но и приобретает новые, регулирующие технологический процесс функции.
Наиболее совершенные автоматические системы обладают способностью
саморегулирования. Автоматически, по сигналу контролирующих устройств,
проверяется правильность установки детали, производится замена, затупившегося инструмента, корректируется состав шихты и пр.
Кроме основных автоматизируются также и все вспомогательные операции: межоперационное транспортирование заготовок, перегрузка деталей с
транспортных устройств на стенки, в печи и обратно, поворачивание деталей в
требуемое для обработки положение, их фиксация, уборка стружки и самое
главное - тщательный пооперационный контроль новейшими техническими
средствами с автоматической отбраковкой некондиционных деталей в процессе
их изготовления.
Имеющиеся на автоматических линиях системы обратной связи, блокировки и саморегулирования реагируют на малейшее отклонение параметров детали и процесса обработки от заданных величин и при необходимости автоматически производят регулировку, устраняют причины нарушения режима, отбраковывают детали или приостанавливают процесс обработки на станке (линии).
Автоматические линии обслуживаются обычно одним человеком, оператором, обязанности которого практически сводятся к пуску и остановке автома84
та и наблюдению за контрольными приборами автоматических устройств.
Функции оператора определяются степенью совершенства автоматического
устройства, технологической линии производства.
Гораздо больше субъективного в процессе наладки и периодической проверки управляющих устройств. Однако многократная проверка наладки линии
и качества изделия дает оценку правильности технологического процесса, по
существу приближающуюся к объективной. При организации автоматических
линий, цехов и заводов следует учитывать экономическую целесообразность автоматического производства. Организация автоматических линий иногда оправдана и при небольшой программе изготовления изделий. Это бывает в тех случаях, когда необходимо высокое качество деталей, возможность применения
совершенного технологического оборудования, новейших технических методов
и средств контроля, когда необходимо повысить общую культуру производства
и надежность изделий.
Лекция 5. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА И ИСПЫТАНИЕ МЕХАНИЗМОВ
ПЛАН
1. ВИДЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ.
2. ЛИНЕЙНЫЙ КОНТРОЛЬ И ДЕФЕКТОСКОПИЯ.
3. КОНТРОЛЬ СБОРОЧНО - МОНТАЖНЫХ РАБОТ И КАЧЕСТВА В ПРОЦЕССЕ
ЭКСПЛУАТАЦИИ.
4. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ.
5. ЗАДАЧИ ИСПЫТАНИЯ МЕХАНИЗМОВ.
1. Справочник по надежности. Пер. с англ.Т. I, II, III. -М.: «Мир»,
1970.- 472 с.
85
2. Надежность и эффективность в технике: Справочник : В 10-ти
т.- М.: Машиностроение, 1986.Т.1.- 278 с.
3. Владимиров В.Н. «Приборы автоматики малых холодильных
машин» Донецк: ДонГУЭТ, 2004. - 253 с.
4. Владіміров В.М. Прилади автоматики малих холодильних машин. Донецьк: ДонГУЕТ, 2004. - 249с.
5. Владимиров В.Н. Малые холодильные компрессоры. Донецк:
ДонГУЭТ, 2005.- 330с.
1. ВИДЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ. Создание долговечных машин и механиз-
мов, соответствующих современному уровню техники и требованиям эксплуатации, неразрывно связано с организацией и методами быстрой и точной оценки
качества материала, детали, собранного механизма, а также многочисленных технологических процессов изготовления деталей и сборки машин.
Схема контроля качества изделия показана на рис.1. Для многих видов
продукции машиностроения этот контроль начинается при выполнении чертежей
и кончается этапом эксплуатации. Контроль качества должен осуществляться не
только силами службы технического контроля предприятия. В систему контроля
качества изделия должны быть включены соответствующие отделы конструкторского бюро и отделы главного технолога предприятия, готовящегося к изготовлению данного изделия; ряд технологических процессов налаживается и контролируется отделами главного металлурга, главного технолога или специализированными лабораториями завода.
Ряд операций, готовых деталей и узлов контролируется непосредственно
исполнителями, производственными мастерами, наладчиками оборудования. Многие рабочие и мастера имеют личные грифы контроля. Контроль качества деталей,
узлов и механизмов в процессе эксплуатации производится обычно эксплуатирующими организациями.
Ответственность за качество и надежность продукции несет конструкторское бюро, аппарат технического контроля и эксплуатирующие организации. Степень ответственности между этими тремя службами зависит от отрасли промышленности, предприятия, от степени новизны конструкции, ее технологичности,
степени внедрения типовых узлов и деталей (или новых оригинальных конструкций), новизны и трудности применяемых технологических процессов. Внутри
предприятия ответственными за качество являются начальники производственных
цехов, мастера и, в отдельных случаях, рабочие, выполняющие особо сложные
или трудноконтролируемые операции.
Служба технического контроля на производстве должна осуществлять контроль операций, существенно влияющих на качество изделия, и тех операций, для
контроля которых необходима сложная аппаратура, требующая специальных
знаний у обслуживающего персонала. В объем работы контрольного аппарата
входит осуществление периодического контроля всех операций, техпроцессов,
специального оборудования, приспособлений и инструмента, а также ряд организационных мероприятий, в том числе способствующих повышению ответственно86
сти производства за качество выпускаемой продукции (личные грифы рабочих и
мастеров, ответственность за наладку автоматических линий, автоматизация и механизация активного контроля и пр.).
В процессе производства и эксплуатации обычно выявляются дефекты, связанные с ошибками, допущенными при конструировании. Дефекты и отказы по
вине контрольного аппарата производства возможны по следующим причинам:
неправильно выбрана система контроля;
отсутствует необходимая аппаратура для выполнения контрольных операций;
низок уровень квалификации и не соблюдены некоторые правила контроля
соответствующим персоналом (при наличии необходимых технических средств);
случайные причины (металлическая стружка в золотниковом устройстве,
шплинт, попавший между зубьями шестеренчатой пары, и пр.), связанные обычно с уровнем общей технической культуры производства и данного участка или
рабочего места в частности.
Наибольшее количество, дефектов и поломок связано с наличием внутренних и особенно поверхностных дефектов у металлических деталей, главным образом трещин, не видимых невооруженным глазом, на концах которых во время работы механизма концентрируются большие напряжения.
Относительной трудностью выявления этих дефектов объясняется отбраковка годных деталей наряду с некондиционными и пропуск на сборку деталей с
дефектами.
Основные виды контроля следующие:
проверка химического и структурного состава материала детали на соответствие техническим условиям;
контроль чистоты поверхности, размеров, конфигурации и взаимного расположения деталей (линейный контроль);
контроль технологического процесса;
контроль прочностных характеристик (твердости материала детали, поверхностного слоя, предела прочности и пр.); обнаружение дефектов внутри детали и на ее поверхности (дефектоскопия).
87
88
Методами контроля являются многочисленные технические способы определения состава материалов, размеров, прочности деталей и выявления скрытых
дефектов. Контроль технологических процессов осуществляется в основном производственными лабораториями, цехами, службой технического контроля и может одновременно включать комплекс методов контроля.
Так называемый входной комплекс материалов осуществляется только в
случаях особой ответственности изготовляемые из них деталей или когда заведомо известно, что необходимые химические или физические параметры (в том
числе структура) материала выходят за пределы технических условий завода-потребителя. В контроль материала входят также проверка на соответствие марке,
данным сертификата и техническим условиям завода изготовителя или ГОСТам.
Если в соответствующих технических условиях при ГОСТах есть указания
о необходимости проверки марок и микроструктуры, то такая проверка осуществляется заводскими лабораториями до запуска данной партии материала в
работу. Контролю на межкристаллитную коррозию подвергаются металлы и
сплавы, предназначенные для изготовления деталей, работающих в особо агрессивных средах.
Одним из основных видов контроля является контроль качества деталей,
который подразделяют на активный и пассивный.
Пассивным контролем является приемочный. При осуществлении пассивного контроля заготовки подвергаются как разрушающим, так и неразрушающим видам контроля. К последним относятся: методы линейного контроля, контроля образцов-свидетелей и дефектоскопия.
Разрушающими видами контроля являются контроль химического состава,
структуры материала детали и иногда прочностной контроль (определение твердости материала детали, твердости поверхностного слоя, упругости, наличия
остаточных напряжений в детали, в ее поверхностном слое и др.). Неразрушающим прочностной контроль является в том случае, когда после его проведения деталь сохраняет свою работоспособность. Большинство тонкостенных закаленных
деталей, у которых наружные и внутренние поверхности являются рабочими, т. е.
сопрягаются с другими деталями, имеют жесткие размеры и конфигурацию, обычно непосредственному контролю не подвергаются. Для таких деталей распространен метод контроля по «образцу-свидетелю». Этот метод заключается в
том, что одна деталь из партии или образец металла, из которого изготовлена
эта партия деталей, после прохождения всех предусмотренных технологическим процессом видов обработки подвергается разрушающему виду контроля.
Определение вибростойкости, выносливости и других прочностных параметров относится к испытаниям деталей и узлов, которые проводятся над
контрольными образцами в процессе производства, а также в процессе эксплуатации над некоторыми деталями, находящимися в работе или замененными новыми.
Чем выше степень механизации и автоматизации технологического процесса, тем больше удельный вес активного и неразрушающего контроля. С помощью специальных электронных устройств можно автоматически поддерживать необходимый режим обработки, осуществлять пооперационный, проме89
жуточный или непрерывный контроль основных параметров и корректировать технологический процесс. Нет сомнения, что будущее именно за контролем
технологических процессов.
Готовые, кондиционные детали не сразу идут на сборку. Часто детали,
запускаемые большими партиями, идут «в задел», на склад, откуда по мере
необходимости доставляются на сборку. В зависимости от правильности выбора метода консервации и, качества работ по ее осуществлению, а также от
срока хранения и степени приспособленности для этого выделенного складского
помещения детали могут стать непригодными к сборке. Резкая смена температуры после термической обработки (неотапливаемый склад в зимнее время)
может привести к остаточной деформации детали; многие детали при недостаточно тщательной консервации корродируют (особенно детали из магниевых
сплавов), во время транспортировки и хранения на деталях могут появляться
забоины, риски и пр. Поэтому, исходя из практики некоторых машиностроительных заводов, можно рекомендовать контроль консервации и расконсервации деталей и узлов как один из способов увеличения надежности машины.
Необходимо также производить контроль готовых изделий (особенно механизмов), прибывающих от заводов-смежников, не ограничиваясь только расконсервацией и проверкой внешнего вида, а проверяя качество материалов,
защитного покрытия, соответствие конфигурации и размеров деталей чертежам и т. д. Механизмы должны подвергаться по меньшей мере входному контролю, состоящему в кратковременной проверке работы механизма без
нагрузки или с неполной загрузкой на специальном стенде, с фиксацией основных параметров готового изделия.
Перепроверка продукции заводов-поставщиков (входной контроль) осуществляется во время приемки в следующих случаях: при особо ответственной
продукции;
если это предусмотрено технологией и техническими условиями;
если имеются обоснованные сомнения относительно качества поставляемой продукции.
Основная форма перепроверки - проверка на функционирование в нормальных или в особых заданных условиях работы отдельных узлов и готовых
изделий. В этот контроль входит проверка осуществления заданной кинематики механизмом и его отдельными узлами и деталями, проверка на «легкость
хода», на отсутствие шума и пр.
В процессе эксплуатации контролируются в основном размеры изнашивающихся элементов, наличие признаков усталости и состояние резин и
пластмасс. Степень изнашивания определяют по люфтам и зазорам в подвижных соединениях и по количеству металлических включений, накопившихся в единице объема смазки за определенный период работы.
Уровень усталостной прочности можно определять на ремонтируемых
деталях и узлах по наличию остаточных напряжений и характерных мелких
поверхностных трещин. Трещины могут быть обнаружены методами дефектоскопии, в том числе и на некоторых недемонтируемых деталях, если к ним
имеется доступ.
90
Резины и многие пластмассы с течением времени меняют свои физические свойства. Уплотнения из этих материалов начинают давать течи, резиновые амортизаторы становятся менее эластичными и т. д. Детали из пластмасс и резины контролируются на кондиционность путем осмотра и проверки
эластичности, упругости, герметичности, проверки на наличие трещин и др. в
собранном и в демонтированном состояниях.
2. ЛИНЕЙНЫЙ КОНТРОЛЬ И ДЕФЕКТОСКОПИЯ. Линейный контроль - самый
старый и распространенный вид контроля в машиностроении. Удельный вес
операций по осуществлению линейного контроля относительно велик.
Наиболее распространены в индивидуальном и мелкосерийном производстве контроль размеров с помощью универсального мерительного инструмента (штангенинструмент, рейсмус, микрометр, рычажный инструмент и
др.) и так называемого жесткого одномерного предельного инструмента
(пробки, калибры, скобы, кольца, щупы и др.).
При всяком измерении получается только приближенное значение измеряемой величины. Ошибки, совершаемые при этом (погрешности измерения),
могут привести к тому, что детали с неправильными размерами поступят на
сборку. Ошибка может быть небольшой сама по себе и может не привести к
отказу, однако при некоторых условиях в совокупности с другими ошибками
этой детали или с ошибками других деталей может исключить нормальную работу узла и всего механизма.
Для более точных измерений иногда производится многократный замер
(желательно различными исполнителями и различными методами). Среднее
арифметическое из всех полученных значений - достаточно достоверное значение измеряемой величины.
Причины, характер и природа погрешности линейных и угловых измерений разнообразны. Их делят на объективные и субъективные.
Объективные погрешности не зависят от исполнителя и получаются изза неточности (неисправности) мерительного оборудования, влияния внешних
условий и неточности примененного метода.
Погрешности, зависящие от исполнителя, являются субъективными. К
ним относятся погрешности, зависящие от его опытности, внимательности, состояния органа чувств (зрения, слуха и тому подобное). К субъективным погрешностям относятся так же запоздалая или преждевременная фиксация какого-либо сигнала, ассиметрия, обнаруживающаяся при установке штриха нулевого деления или при отсчете долей деления шкалы, указываемых стрелкой, и
т. п. Субъективные погрешности значительно изменяются в зависимости от состояния исполнителя (болезнь, возбуждение, усталость).
Промахи - чрезмерно большие погрешности, явно искажающие результат
измерения, большей частью (за исключением влияния внешних условий) также
являются следствием причин субъективного характера. К таким причинам относятся неправильные отсчеты по шкале, неверная запись отсчетов, неправильная схема включения приборов, пользование неправильно вычисленной ценой
деления, удары, тряска и пр. Промахи характерны при работе с оптикомеханическим инструментом.
91
Основными ошибками субъективного характера, влияющими на точность замера при пользовании универсальным мерительным инструментом,
являются: параллакс, неправильное усилие натяжки измерительного инструмента на деталь, загрязненность контактирующих поверхностей детали и инструмента. При пользовании жестким одномерным мерительным инструментом на правильность контроля влияют положение инструмента относительно детали, усилие сопряжения инструмента и детали, температура инструмента и детали, чистота контактирующих поверхностей. При работе этим
инструментом промахи почти полностью исключаются.
Если внимание квалифицированного исполнителя не отвлекается, то количество промахов сокращается. Для обеспечения этого условия необходимо
оборудование изолированного (по возможности) рабочего места сделать удобным, практичным. Особо сложные детали должны замерять многократно
разные лица разными инструментами.
Механизация и автоматизация контроля обеспечивают не только высокое качество контрольной операции, исключение субъективного фактора, но и
большую производительность, чем при ручном контроле.
Автоматические контролирующие устройства рациональны в массовом
производстве при многодиапазонной сортировке небольших деталей (например, шариков для шарикоподшипников) имеющих малый вес и небольшое число контролируемых параметров, и экономически нецелесообразны для выявления брака так, как стоимость их велика и для их обслуживания требуется квалифицированный наладчик, что при недостаточной массовости продукции не
окупается. Это следует учитывать, тем более, что объем продукции, выпускаемой заводами серийного и мелкосерийного производства, превышает объем
продукции, выпускаемой заводами массового производства.
Активный линейный контроль разделяют на прямой и косвенный. Прямой
способ заключается в снятии размера (или контроля его) непосредственно с детали. Такой способ отличается большой точностью, так как исключает влияние
силовых и тепловых факторов системы СПИД. Этот способ применяют при обработке относительно небольших деталей на станках, где можно расположить
измерительные приборы, датчики - преобразователи импульсов, отсчетные и
управляющие механизмы. Косвенный способ замера заключается в определении положения обрабатываемой поверхности или режущей поверхности инструмента относительно контрольной базы или в определении величины перемещения суппорта, несущего режущий инструмент.
При косвенном методе контроля контролирующее устройство размещается вне рабочей зоны станка, поэтому его применяют в случае сложной конфигурации детали и при ограниченных размерах рабочей зоны станка.
Устройства для контроля в процессе обработки основаны на определении
отклонений размеров обрабатываемой детали от размеров эталонной. Для замера в процессе обработки применяются одномерные и многомерные электроконтактные, индуктивные и емкостные датчики. Особенно удобны многопозиционные пневматические и пневмоэлектрические датчики. Последние менее подвержены влиянию изменяющейся (в зависимости от длительности и режима
92
обработки) температуры детали и станка, чем пневматические и пневмоэлектрические.
Компенсация температурных погрешностей, возникающих из-за разницы
в температурах изделия и измерительных средств, с помощью термосопротивлений, автоматически корректирующих результат измерений, не всегда достаточна.
Желательно, чтобы детали перед подачей на контрольную операцию приобрели температуру датчика, однако это иногда связано с большими потерями
времени. На многих предприятиях детали выдерживают в накопителе в течение
времени, достаточном для выравнивания температуры детали. Это происходит
быстрее, чем выравнивание температуры детали, и датчика, а эффект температурной коррекции в этом случае вполне удовлетворителен.
Метод компенсации температурных погрешностей измерений позволяет
при необходимости приблизить автоматические контролирующие устройства к
рабочим местам. Температура детали на станке меняется по времени и толщине
детали. Время выравнивания температур поверхностного слоя и середины детали строго определенно (и обычно не велико). Автоматические фиксаторы
момента выравнивания температуры детали сами включают датчик во время
работы или остановок станка.
Недопустимые по техническим условиям и по требованиям к прочности нарушения сплошности металла могут образоваться в процессе всех видов
обработки металла и при хранении деталей. Основными видами нарушения
сплошности являются: газовые, усадочные, шлаковые и земляные раковины;
усадочная рыхлость и пористость;
флокены (внутренние трещины);
межкристаллитные трещины;
трещины литейные горячие (с оксидной пленкой на поверхности) и холодные;
внутренние или поверхностные разрывы, образовавшиеся в результате
ковки малопластичного материала;
закаты, заковы (расслоения, складки);
волосовины - тонкие нитевидные, вытянутые вдоль направления остаточных деформаций нарушения сплошности;
закалочные трещины (выходят на поверхность, поверхность окислена);
шлифовочные трещины - очень тонкие поверхностные микротрещины,
иногда в виде сетки; обычно наблюдаются в деталях с высокой твердостью;
микро- и ультрамикротрещины на поверхности, образующиеся при неправильном режиме резания;
усталостные трещины, образовавшиеся в результате действия повторнопеременных нагрузок при некоторых видах поверхностного наклепа; залегают
обычно в местах резких переходов или подрезов на деталях;
межкристаллитная коррозия (трещины, образовавшиеся в результате коррозии по границам зерен).
Прямые методы выявления нарушений сплошности, выходящих на поверхность, включают в себя осмотр детали неовооруженным глазом или через
93
лупу, а также повторный осмотр поверхности после травления с предварительными шлифованием и полированием протравливаемого места. К прямым
методам выявления внутренних нарушений сплошности относятся микроисследования поверхностей разрезов контрольных деталей.
Несмотря на большую трудоемкость, эти методы не гарантируют выявления всех дефектов. Значительно более полную характеристику металла
дает применение некоторых косвенных методов выявления дефектов, именуемых методами дефектоскопии. Основными методами дефектоскопии являются:
электромагнитные методы: магнитной суспензии и магнитного порошка,
магнитнолюминисцентный, вихревых токов, феррозондовый;
капиллярные методы: керосиновая и масляная проба, цветной метод, люминисцентный;
методы просвечивания: рентгеновский; использование радиоактивных излучений (гамма- и бетадефектоскопия),
звуковые и ультразвуковые методы: простукивание деталей; ультразвуковой метод; импульсный; резонансный.
Для обнаружения внутренних дефектов в материале деталм пользуются
широко распространенными методами рентгене - и радиодефектоскопии, методом вихревых токов, звуковым и ультразвуковыми методами, а также феррозондовым методом контроля.
Характеристика рентгеновских лучей определяется силой анодного тока
в трубке и длиной волны.
По природе проникновения в толщину металла и воздействия на фотопленку рентгеновским лучам аналогичны гамма-лучи. Последние также представляют собой электромагнитное излучение, однако их энергия гораздо выше, хотя длина волн, как и у рентгеновских лучей измеряется в сотых долях
ангстрема. Энергия гамма-лучей, испускаемых как естественными (радий и
др.), так и искусственными (кобальт-60, цезий-137 и др.) радиоактивными
элементами на практике измеряется в кило-и мегаэлектронвольтах. В дефектоскопии используются в основном искусственные радиоактивные изотопы.
Много общего с рентгено- и гамма-дефектоскопией имеет применяемая
на металлургических заводах бетатронная дефектоскопия, основанная на просвечивании изделий гамма-лучами, генерируемыми с помощью бета-частиц,
ускоренных до энергии в десятки и даже сотни миллионов электрон-вольт.
Принципиальная схема получения радиографического снимка на фотопленке показана на рис. 2. Этот метод наиболее распространен, хотя развивающиеся сейчас ионизационный и другие методы позволяют значительно ускорить процесс обнаружения дефектов.
Рентгеновский и гамма-контроль принципиально не отличаются друг от
друга. Однако каждый из них в отдельности не может быть полностью заменен другим.
Рентгеновский контроль благодаря излучению большой интенсивности,
которую можно при необходимости изменять, обладает более высокой чувствительностью к дефектам и производительностью, чем гамма-контроль. Однако рентгеновские стационарные и переносные установки сложны и громозди;
94
подходы с рентгеновской трубкой ограничены; для рентгеноконтроля требуется источник электрической энергии; толщина деталей ограничена (до 70… 120
мм).
Рис. 2 - Схема получения радиографического снимка: а - просвечивание болванки: 1- контейнер для хранения изотопов, 2- гамма - излучитель, 3 - болванка, 4
- пленка, 5 - изображение дефекта на пленке, 6 - дефект; б - просвечивание
сварного шва: 1 - гамма-излучатель, 2 - непровар шва, 3 - деталь со сварным
швом, 4 - изображение шва с непроваром, 5 - плёнка.
Гамма-установки с источниками излучения малой и средней активности
(до 1…5 г эквивалентного радия) сравнительно просты компактны и удобны.
Они легко и быстро устанавливаются у контролируемых объектов и непосредственно в конструкции позволяют контролировать стальные детали толщиной
до 200 мм.
Существенными недостатками гамма-контроля являются: недостаточная
интенсивность источников малой активности (высокая активность требует
сложной защиты от облучения); невозможность регулирования энергии излучения; уменьшение с течением времени активности источников (необходимы непрерывные поправки на экспозицию, замена источников); необходимость постоянной защиты обслуживающего персонала.
Тонкий листовой материал, тонкие детали из магниевых, алюминиевых и
стальных сплавов (толщиной до 10 мм) хорошо контролируются изотопами с
мягким гамма-излучением (туллий-170, селен-75) мощностью до 10 мг эквивалентного радия.
Полевые установки с жестким излучением названных изотопов (мощностью до 1…2 г эквивалентного радия) и изотопа цезия-137 (до 2 г эквивалентного радия) более производительны. Установки, работающие на радиоактивном цезии-137 удобны в эксплуатации, так как ими можно пользоваться продолжительное время, не внося поправок в экспозицию, и контролировать детали из алюминиевых сплавов толщиной свыше 50 мм и из стали - свыше 10…15
мм.
95
Общими отрицательными признаками, присущими всем методам просвечивания, являются: трудность контроля сложных деталей; необходимость
подхода к детали с двух сторон; невозможность выявления трещин в случае,
если угол между плоскостью трещины и лучом составляет менее 30°.
Методом вихревых токов, основанным на взаимосвязи переменного
магнитного потока с индуктированной электродвижущей силой, находят внутренние и поверхностные дефекты (рис. 3). Вихревые токи создают в детали
магнитный поток, направленный в противоположную сторону по отношению к
основному магнитному потоку. Результирующий магнитный поток изменяет свои
параметры в зависимости от степени сплошности металла.
Электроиндуктивные приборы (типа ЭМИД, ДИМ-15, ДИМ-500, ИЭ-1, ИЭ11), выпускаемые серийно, предназначены в основном для контроля деталей
сравнительно простой формы. Специальные датчики и приспособления позволяют
контролировать детали более сложной конфигурации.
Рис. 3 - Магнитное поле рассеивания при прохождении магнитного потока через
деталь.
Для обнаружения несплошности материалов в отечественной промышленности широко применяют ультразвуковой контроль изделий простой формы продольными или поперечными волнами. Осваиваются поверхностные и нормальные
волны для выявления поверхностных и подповерхностных дефектов в изделиях
сложной конфигурации.
Действие приборов ультразвуковой дефектоскопии основано на способности
ультразвуковых волн проникать через большие толщины металлов и отражаться
на границе двух сред. Частоты ультразвуковых колебаний в отечественных приборах доходят до 109 гц. Для контроля деталей непосредственно в конструкции
изделия (без его разборки или с частичной разборкой) с успехом применяются
универсальные серийные ультразвуковые дефектоскопы УЗД-7И, УЗД-7Э или
УДМ-1М с типовым комплектом искательных головок, рассчитанных на выявление дефектов продольными и поперечными ультразвуковыми волнами.
Отечественной промышленностью выпускаются следующие дефектоскопы:
УЗД-7Н (наличие дефекта определяется по выявлению импульса на экране электронно-лучевой трубки); В4-7И (основной индикатор дефектов — электроннолучевая трубка; имеется также «электронная лупа»); УЗД-16 (наличие дефекта
определяется по выявлению звука в наушниках и импульса на экране трубки;
предусмотрена «электронная лупа»).
Специализированным дефектоскопом для контроля качества сварных соединений является, например, УЗД-НИИМ-5, допускающий плавную регулиров96
ку чувствительности в зависимости от глубины залегания дефектов, что улучшает возможность их выявления на малой глубине. Наличие дефектов определяется по импульсам на экране электронно-лучевой трубки, загоранию лампочки и
появлению звука в наушниках.
Более универсальным для контроля разнообразных деталей является импульсно-контактный эхо-метод. При этом методе излучающая и приемная головки
помещаются с одной стороны детали, а о наличии нарушений сплошности судят
по интенсивности отраженного сигнала.
Широкому использованию ультразвуковых дефектоскопов препятствуют повышенные требования к чистоте контролируемых поверхностей, относительная
сложность процесса проверки, невозможность контролировать детали с крупнозернистой структурой, а также с толщиной менее 10 мм (на экране индикатора
трудно получить картину, свободную от ложных всплесков, и, главное, нельзя
определить размер дефекта).
Ультразвуковой метод наиболее чувствителен к пустотам, вытянутым параллельно поверхности детали, и его чувствительность почти не изменяется с изменением толщины детали. Кстати, в процессе прокатки и ковки пустоты и зазоры в металле вытягиваются, располагаясь параллельно плоскостям деформации.
При этом величина раскрытия дефектов не превышает десятой доли миллиметра.
Метод просвечивания наиболее чувствителен к пустотам, ориентированным перпендикулярно контролируемой поверхности детали (параллельно ходу
лучей), но не позволяет точно определить место несплошности.
Одной из главных отрицательных сторон обоих методов является их крайне
субъективный характер.
Методами дефектоскопии, применяемыми для выявления самых труднофиксируемых поверхностных дефектов, являются электромагнитные, капиллярные и радиодефектоскопии.
Эти методы, как и некоторые упомянутые выше методы «глубинной» дефектоскопии, также носят субъективный характер и при недостаточном опыте и квалификации оператора могут привести к отбраковке годных деталей или приемке
деталей, имеющих недопустимые дефекты.
Контроль с применением магнитного порошка осуществляется только на деталях из ферромагнитных материалов с целью выявления поверхностных и подповерхностных дефектов. Нанесенный на поверхность детали ферромагнитный
порошок располагается в соответствии с входящими за поверхность металла полями рассеяния (искажениями магнитного потока в зоне несплошностей) и точно
фиксирует расположение дефектов и их границы.
Применение для выявления дефектов магнитной суспензии, состоящей из
люминесцентной жидкости со взвешенными в ней ферромагнитными частицами,
по трудоемкости не отличаются от дефектоскопии с применением обычного магнитного порошка, однако эффективность контроля повышается примерно в 10
раз.
Недостатками методов магнитной суспензии и магнитного порошка являются:
трудность определения глубины распространения дефекта;
97
невозможность использования этих методов для деталей, не имеющих
чисто обработанной поверхности и для крупных деталей с наклонными контролируемыми поверхностями;
неудобство применения этих методов в эксплуатационных условиях (стекание жидкости, ссыпание порошка с наклонных плоскостей недемонтированных
деталей).
На минимальную величину трещины, выявляемой магнитным методом,
влияют следующие факторы:
характер дефектов, материал, форма, размеры и состояние поверхности
контролируемой детали;
способ магнитного контроля, основанный на использовании остаточной
намагниченности детали или на приложении внешнего магнитного поля;
вид намагничивающего тока (переменный, постоянный, выпрямленный,
пульсирующий, импульсный);
направление и способ намагничивания;
величина магнитной индукции в поверхностном слое металла;
качество магнитного порошка, суспензии и способы их применения.
Если эти факторы благоприятны, то магнитным методом выявляются
трещины с шириной раскрытия до 0,001 мм и глубиной до 0,01 мм. При использовании суспензии с флуоресцирующим магнитным порошком обнаруживаются трещины с шириной раскрытия 0,0001 мм и глубиной до 0,001 м.
Отечественной промышленностью изготовляются магнитные дефектоскопы стационарные, передвижные и переносные, позволяющие контролировать
качество деталей без разборки или с частичной разборкой узла.
Наиболее перспективным методом контроля качества поверхности деталей в процессе их производства и эксплуатации являются методы капиллярной
(цветной) дефектоскопии, основанные на проникновении жидкости, смачивающей материал изделия, в полость нарушения сплошности. После удаления с
поверхности (промывкой) жидкость выступает из полостей нарушения сплошности или вытягивается оттуда специальным адсорбирующим порошком или
коллоидным раствором (проявителем). Смачивающая и «вытягивающая» жидкость окрашиваются яркими красками. Проявляющее вещество впитывает
окрашенный раствор из нарушений сплошности, и по образующемуся узору судят о наличии и характере дефектов. Тщательная подготовка поверхности (снятие окисной пленки, обезжиривание) является одним из первых условий для
проникновения смачивающей жидкости в полость дефекта.
Зачистка мягких металлических деталей металлической щеткой, часто
применяемое травление реактивом Васильева, охлаждение детали ниже 0°С и
нагрев выше 50 °С снижают чувствительность метода цветной дефектоскопии.
Оптимальные темпера туры для применения цветной дефектоскопии находятся
в пределах 15…25 °С.
Наиболее эффективным способом подготовки поверхности детали из жаропрочного сплава к применению цветной дефектоскопии является анодная
обработка. Преимущества этого способа следующие:
98
нагар на поверхности детали хорошо разрыхляется и легко удаляется
жесткой волосяной щеткой;
не происходит растравливания материала детали;
минимальная длина трещин, выявляемых после анодной обработки методом цветной дефектоскопии, составляет 0,2…0,3 мм.
Отрицательно влияет на процесс выявления дефектов нанесение окрашенной смачивающей жидкости краскораспылителем, так как входящие в состав жидкости летучие компоненты испаряются, вязкость жидкости увеличивается и проникновение ее в полость дефектов затрудняется. Выпадение красителя из раствора приводит к уменьшению интенсивности окраски и, следовательно, к снижению чувствительности метода.
Обычно красную смачивающую жидкость наносят жесткой волосяной
кистью в 2…3 слоя (после подсыхания каждого предыдущего слоя) или окунанием, выдерживая деталь в ванне в течение 3…4 мин.
Для выявления трещин термического происхождения в пористых литых
деталях время выдержки в жидкости необходимо увеличить примерно вдвое,
так как стенки трещин окислены и смачивающая способность жидкости в этих
условиях ухудшается.
Белая проявляющаяся краска НЦ-523 наносится на детали относительно
простой формы только мягкой колонковой или беличьей кистью. Детали сложной формы покрываются белой проявляющей краской НЦ-524 только способом распыления при давлении воздуха в распылителе от 1,5 до 2,5 ати.
Цветная дефектоскопия широко распространена в полевых эксплуатационных условиях.
3. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СБОРОЧНО - МОНТАЖНЫХ РАБОТ И В ПРОЦЕССЕ
ЭКСПЛУАТАЦИИ. Целью, преследуемой при контроле сборочно-монтажных опе-
раций, является в основном исключение погрешностей при взаимном сопряжении деталей. Выявление погрешностей, допущенных при изготовлении деталей,
обычно не является прямой задачей технического контроля в сборочных цехах,
хотя все погрешности механической, термической и других видов обработки
могут выявиться в процессе сборочных работ.
Например, отливка, «случайно» не подвергнутая термообработке после
механической обработки, может деформироваться вследствие возникновения
внутренних напряжений и, если эта деформация произойдет после сборки, то
нарушается ее сопряжение с другими деталями.
Погрешности при сборке могут быть случайными, если их возникновение
обусловливается неопределенными, трудно учитываемыми причинами и так
называемыми периодическими, если они зависят от причин, поддающихся учету.
В свою очередь, случайные и периодические погрешности подразделяются
на следующие категории:
погрешности посадок — несоблюдение установленных зазоров и натягов;
погрешности положения деталей — перекосы;
деформации — искажение формы при неправильной сборке (посадке, затяжке болтов и пр.);
99
погрешности качества сопрягаемых поверхностей — задиры, царапины и
пр.;
погрешности балансировки — неуравновешенность, вибрации;
погрешности, связанные с состоянием рабочего места — грязь, опилки,
абразив и пр., попадающие на поверхности сопрягаемых деталей;
погрешности, являющиеся, в свою очередь, следствием погрешностей посадки: при напрессовке охватывающей детали на вал возможно искривление
вала, эллипсность гонких полых валов и пр.;
перекос сопрягаемых деталей при беспорядочной затяжке гаек многоболтового соединения;
срыв резьбы, искривление шпилек из-за плохого инструмента и др.
Причинами всех погрешностей в сборочно-монтажных работах при соблюдении рабочим правил сборки, требований технологического процесса и
специфических для данного механизма специальных указаний являются:
неправильно изготовленные детали;
недостаточно продуманные технические условия на сборку;
неправильная технология сборки.
Эти причины являются следствием нарушения технологической дисциплины.
Главное внимание службы контроля должно быть сосредоточено на соблюдении технологии, состоянии оснастки и инструмента. Это относится в
равной мере и к службе контроля цехов, изготавливающих детали.
Если в механических цехах почти любой брак является неустранимым, то
в сборочных цехах доля устранимого брака (течи, излишне тугая или свободная
посадка и пр.) относительно высока.
Контроль в сборочных цехах производится не только в конце, но и в процессе сборки. Многие операции контролируютсяв процессе сборки, потому что
проконтролировать их в конце сборки не всегда возможно.
Контрольные операции, для осуществления которых необходимо значительное время и специальная аппаратура, необходимо выделять как самостоятельные операции. Такое выделение тем более целесообразно, если длительность контрольной операции больше сборочного ритма. Основными методами
контроля при сборке являются:
наружный осмотр - выявление рисок, царапин, забоин, очагов коррозии,
окалины, загрязненности; проверка наличия прокладок, шайб, шплинтов, их
целостности, правильности установки;
линейный контроль - проверка зазоров, биения, параллельности, перпендикулярности и пр.;
проверка на основе субъективных ощущений (характера шума при работе
механизмов, на краску шестеренчатых пар, на биение, выявление трещин в
крупном литье по звуку при простукивании);
проверка температуры, уровня вибраций, заданного числа оборотов и др.;
высокий технический уровень контрольно-измерительных средств не исключает пока субъективных методов, имеющих большой удельный вес в контроле сборочно-монтажных операций.
100
Медленнее, чем в заготовительные и обрабатывающие цеха, проникает
автоматизация и механизация в контроль сборочно-монтажных операций. В основном механизированы (и очень редко автоматизированы) испытательные
стенды для проверки работы готовых механизмов и некоторые операции контроля электро- и радиооборудования машин.
Поскольку удельный вес контрольных операций, основанных на субъективных ощущениях, велик, в сборочных цехах обычно работают наиболее квалифицированные рабочие и контролеры.
4. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ. Контроль качества механических систем и их элементов, осуществляемый в процессе эксплуатации,
можно разделить на два вида работ:
а) контроль систем, механизмов и узлов, включающий в себя: функциональный контроль (проверку режима работы, кинематики, точности и пр.);
контроль внутренних условий, связанных в основном с правильностью сопряжения деталей, степенью их взаимной приработки, степенью сохранения
рабочих зазоров, наличием нежелательных люфтов, остаточных и упругих деформаций уровнем из носа, наличием стука или нагрева при работе, нарушением герметичности, давления и пр.;
б) контроль ответственных деталей с применением:
дефектоскопии;
линейного контроля;
контроля остаточных технологических и эксплуатационных напряжений;
контроля на наличие очагов коррозии;
контроля состояния защитных и декоративных покрытий;
контроля деталей из пластмасс и резины, подвергавшихся солнечному и
радиоактивному облучению, на старение.
Контроль в условиях эксплуатации характеризуется:
особенностями, связанными с конструкцией машины;
односторонним доступом к большинству контролируемых деталей;
ограниченными условиями для размещения контролера и аппаратуры;
отсутствием необходимых источников питания.
По своему объему и характеру контроль бывает предпусковым, планово-предупредительным и аварийным.
Предпусковой контроль машин и механизмов периодического действия
характеризуется относительно небольшой длительностью и ограниченным объемом контрольных операций. Основной задачей пускового контроля является
обеспечение выполнения заданных функций в периоде от пуска механизма до
временного прекращения его работы, т. е. на предусмотренный эксплуатационными условиями период его беспрерывной работы. Методами, используемыми в
предпусковом контроле, являются: внешний осмотр механизма, а также его отдельных узлов и деталей для выявления видимых повреждений (забоин, царапин, потертостей, трещин и пр.);
контроль на наличие микротрещин в основных элементах конструкции с
помощью звука и ультразвука (простукивание бандажей колес вагонов, ультразвуковой контроль гребных винтов и пр.);
101
проверка функционирования важнейших узлов, агрегатов и механизмов
от руки (например, штурвальчиков суппорта токарного станка, рулевого
управления автомобиля и пр.), если такая проверка вообще возможна в
условиях конкретного изделия;
контроль выполнения функций отдельными системами, агрегатами, узлами в условиях, имитирующих эксплуатационные,, т. е. то же, что и в пункте
«в», но под относительно небольшой нагрузкой, под током, «на горячо» и
пр. Например, опробование тормозной системы автомобиля, запуск шпинделя токарного станка вхолостую с переключением скоростей, запуск, грев и
кратковременная работа авиадвигателя на всех режимах, перед взлетом.
К предпусковым видам контроля нельзя относить сугубо эксплуатационные проверки на наличие смазки, горючего, проверку расстопорения предохранительных (стояночных) устройств, контроль средств связи, сигнализации и пр.
Для стационарных и самоходных машин предусмотрены специфические
контрольные операции предпускового и планово-предупредительного контроля .
Осуществление необходимого комплекса контрольных операций у многих машин связано с сезонными остановками на ремонт и профилактический осмотр
(оборудование сахарных и рыбоконсервных заводов, речные суда на замерзающих реках, большинство сельскохозяйственных машин и др.). Во время ремонтных работ и планово-предупредительных осмотров объем контрольных
операций больше и методы разнообразней. Этому способствует возможность
частичной или полной разборки механизма.
Планово-предупредительный контроль, часто называемый плановопредупредительным ремонтом (хотя ремонт в процессе частичной или полной
разборки, смазки и регулировки может и не производиться), более глубок. Дефектоскопия ответственных деталей, в которых возможно возникновение трещин в процессе эксплуатации, занимает здесь одно из ведущих мест.
Проверка на отсутствие поверхностных дефектов в основном осуществляется капиллярными методами, из которых наибольшую популярность приобрели методы цветной дефектоскопии и люминесцентный (последний имеет
обычно большую чувствительность). Такой популярности способствует возможность исключения демонтажа детали - обязательного предварительного
условия многих методов дефектоскопии, отсутствие каких-либо особых требований к подходам детали, простота оборудования и выполнения процессов и в
основном возможность производить контрольные операции на наклонных и «потолочных» поверхностях деталей, что не обеспечивается другими методами дефектоскопии.
Контроль остаточных технологических и эксплуатационных напряжений, хотя и требует относительно сложного оборудования (более сложного для
самоходных машин) и высокой квалификации контролеров, но вполне окупает
себя полнотой сведений о состоянии и «поведении» отдельных элементов машины в эксплуатации.
Контроль износа элементов подвижных соединений (как один из основных) осуществляется методами линейного контроля определением количества
металлических составляющих в единице объема смазки.
102
Контроль на наличие очагов коррозии и состояния защитных декоративных покрытий осуществляется осмотром.
Как известно, прогнозирование сроков старения пластмасс и резины с
необходимой точностью не всегда возможно из-за различных внешних условий
работы механизма конкретного типа, и в частности, из-за различной интенсивности воздействия солнечного и радиоактивного облучения. Именно поэтому
важно осуществлять в эксплуатации периодический контроль за деталями, интенсивно стареющими под воздействием радиации.
Контроль качества деталей в случае аварии диктуется характером последней и часто включает в себя химический, структурный и другие виды контроля материала для восстановления предшествующего поломке состояния деталей.
Контроль самоходных машин и их элементов в процессе эксплуатации
обычно происходит в более тяжелых условиях, чем контроль стационарных
установок, и связан с осуществлением ответственных контрольных операций
ограниченными средствами в стесненных полевых условиях или, в лучшем
случае, в условиях ремонтной базы или ремонтного завода.
Последовательность основных вопросов, возникающих при выборе оптимальной методики контроля, примерно такова: что контролировать, каким методом, каким инструментом.
В одном случае выбранная методика контроля считается оптимальной, если при этом обеспечивается максимальная надежность машины; в другом, - если обеспечивается необходимый класс точности или качество материалов. Однако большей частью оптимальность выбора методики контроля определяется
ее экономичностью.
Выбор методики контроля начинается с изучения объекта контроля, который включает в себя знакомство с чертежами объекта, технологией его изготовления, определение мест возможных ошибок самого контроля, учет особенностей материала и установление вероятных мест расположения и характера
предполагаемых дефектов. Следующим этапом является анализ возможностей
применения тех или иных видов контроля.
Дефектоскопию внутренних нарушений сплошности целесообразно производить на более ранних стадиях обработки детали. Это позволяет своевременно прекратить дальнейшую обработку детали имеющей внутренние дефекты. Наружные нарушения сплошности выгоднее выявлять на готовых деталях
или на конечных стадиях их обработки, так как часть дефектов, обнаруженных
на начальных стадиях, в дальнейшем может уйти в стружку.
Отсутствие на ранних стадиях обработки (например, после литья) чистых,
механически обработанных поверхностей исключает ультразвуковой контроль,
ко небольшая величина деталей позволяет без особых затруднений производить
рентгеноскопию на стационарной установке.
Для деталей из алюминиевых сплавов, в которых при механической обработке не могут возникнуть глубокие трещины, хотя поверхностные трещины в
зависимости от режима обработки и могут иметь место, можно применять метод цветной или люминесцентной дефектоскопии.
103
Детали, не имеющие достаточной жесткости, например, тонкостенные
полые валы, рекомендуется контролировать бесконтактным мерительным инструментом (индукционные датчики, пневмодатчики и др.) или инструментом,
дающим при контроле малое усилие в местах контакта. Деформация детали при
контроле влияет на точность показаний тем сильнее, чем выше контролируемый класс точности и чем меньше жесткость детали и инструмента.
Принято считать, что практически приемлемое отношение погрешности
измерения к допуску контролируемого параметра лежит в пределах 0,1…0,2. В
отдельных случаях (малые допуски, небольшие детали) допускается отношение
0,3.
При массовом производстве возможно экономически обоснованная механизация, а иногда и автоматизация контроля, с применением более совершенного измерительного оборудования, электрических, пневматических и других совершенных методов контроля.
5. ЗАДАЧИ ИСПЫТАНИЯ МЕХАНИЗМОВ. Проектирование новых механических систем связано с внедрением оригинальных конструкций, новых материалов, технологических процессов. Многие «знакомые» узлы и агрегаты должны
работать в новых, проектируемых механизмах при более тяжелых режимах, в
необычных внешних условиях. Все новшества в конструкции перед их внедрением должны быть тщательно проверены и отработаны (хотя бы в условиях
лаборатории, стенда).
В процессе отработки можно оценить работоспособность и выявить некоторые технологические особенности изготовления узла.
Степень приближения характеристики реальной (опытной) конструкции к
заданным в проекте параметрам определяет правильность принятых конструктивных решений. По результатам испытаний новых, ответственных или работающих в особых условиях элементов конструкции можно судить об их соответствии комплексу требований, определяющих их пригодность к выполнению
тех или иных функций в конкретных внешних условиях в течение заданного
ресурса. Проектирование современных сложных механизмов без таких предварительных («опережающих») испытаний некоторых основных элементов конструкции немыслимо.
Полностью собранная машина, опытная или серийная, также требует
проведения комплекса испытаний. Несомненно, характер и объем испытаний
для опытной и серийной машины различны.
Характерными составными частями комплекса испытаний опытных машин являются испытания на долговечность, работоспособность, точность выполнения функций, в том числе в граничных условиях, т. е. в условиях крайне
допустимых (крайне возможных) пределов рабочих параметров высшей среды и их сочетаний.
При опережающих испытаниях обычно не воспроизводятся условия
внешней среды, за исключением случаев их особого, определяющего влияния
на работу испытываемого элемента механизма.
104
Сдаточные испытания всего механизма проводятся в цехе или на полигоне специальными производственными службами и состоят обычно в проверке функционирования отдельных узлов механизма, их взаимодействия.
Эксплуатационные испытания — это комплекс испытаний механической
системы (прошедшей сдаточные испытания) с целью выявления ее пригодности для выполнения заданных функций в естественных внешних условиях.
Часто эта основная задача дополняется проверкой удобства обслуживания,
точности выполнения машиной своих функций, работоспособности в особо тяжелых внешних условиях, и пр. Эксплуатационные испытания чаще бывают
периодическими, однако иногда охватывают весь ресурс машины, как например, эксплуатационные испытания готового изделия, получающего большую
проработку, чем другие машины той же серии. Основными условиями таких
испытаний является тщательный контроль за работой и состоянием элементов
конструкции и сохранение определенного интервала между наработкой головной машины и остальных машин.
Испытания готовой серийной продукции обычно ограничиваются проверкой правильности выполнения функций (проверка на функционирование) и
иногда — кратковременной работой под нагрузкой, близкой к эксплуатационной (испытание на работоспособность). Специфические требования к конкретным механическим системам дополняют комплекс испытаний опытных и серийных машин определенными видами испытаний.
Наиболее точное определение степени надежности машины дает ее эксплуатация. Новую конструкцию машины необходимо тщательно испытать
(прежде всего, на надежность), а затем, передав ее потребителю, внимательно
следить за ее состоянием в процессе эксплуатации.
Наиболее широкий и всесторонний комплекс испытаний проходят опытные конструкции. При мелкосерийном производстве бывают случаи, когда
каждая единица выпускаемой продукции испытывается по программе опытных
конструкций, например, в судостроении. Однако большей частью каждая машина при мелкосерийном, серийном и массовом производстве проходит сокращенный комплекс испытаний (с учетом ранее проведенных всесторонних испытаний опытного образца).
При определении цели испытаний изделия учитывается его значение и
новизна конструкции, безопасность работы обслуживающего персонала, безопасность пассажиров, людей, находящихся в непосредственной близости к
машине, и др.
Цель испытаний определяется характером задач, которые должны быть
решены в результате испытаний (опережающих, сдаточных и пр.).
Испытания подразделяют на следующие виды:
по месту проведения - стендовые, лабораторные, полигонные, натурные;
по объему - подетальные, узловые, агрегатные, комплексные;
по темпу проведения - нормальные, ускоренные;
по периодичности - разовые, периодические, непрерывные;
105
на прочность и надежность - статические, повторно-статические, вибрационные, динамические, копровые испытания на функционирование, работоспособность, износ, ресурс, боевую живучесть;
на воздействие внешних условий работы - температурные, на изменение
давления внешней среды, влажностные, морские, абразивные, химические, акустические, биологические, магнитные, электрические, радиационные, на обледенение.
Этот краткий перечень не охватывает, разумеется, всего многообразия
испытаний машин и их элементов. Ниже приведена характеристика основных и
специфических видов испытаний. Полигонные испытания, как следует из самого названия, проводятся на полигонах - определенным образом оборудованных
участках местности, на которых сконцентрированы преодолеваемые препятствия, объекты применения машины, средства, воспроизводящие тяжелые
натурные условия работы машин. К полигонам часто относят участки местности, не оборудованные специальными устройствами, но имеющие концентрированный характер расположения естественных препятствий.
Современный полигон — это сложное сооружение с сигнализацией, осветительной аппаратурой, мощными средствами связи, телеуправления и телевидения, спасательными средствами, подъемно-транспортными механизмами и пр.
Полигонные испытания приближаются по своему характеру к эксплуатационным, но они относительно кратковременны и обычно посвящаются исследованию «поведения» системы при граничных значениях рассматриваемых параметров, что по напряженности режима не соответствует условиям нормальной эксплуатации.
Ускоренные испытания предполагают максимально сжатые сроки воспроизведения условий, соответствующих ресурсу машины или регламентному
сроку до первого капитального ремонта. Такие испытания могут приближенно
характеризовать надежность машины и значения ряда параметров в конце ресурса.
Разовые испытания характерны для опытных изделий и для ряда сдаточных испытаний; они не повторяются или повторяются только после капитального ремонта.
Периодические испытания наиболее характерны для продукции массового
производства и для эксплуатации. Они включают в себя специфический для
данного изделия комплекс испытаний, задача которого заключается в основном
в периодической проверке нескольких образцов из партии (серии) на функционирование и работоспособность.
Периодические испытания проводятся также в условиях эксплуатации
после плановой замены узлов и деталей, в случае частой, присущей данному
механизму, разрегулировке, при резком изменении внешних условий работы
после длительной консервации машины и пр.
Испытания на износ широко распространены, и их методика, выработанная многолетней практикой, общеизвестна. Обычно при таких испытаниях варьируются два параметра: скорость взаимного перемещения трущихся поверх106
ностей и удельное давление. Реже учитываются характер смазки и внешние
условия работы.
Изменение скорости взаимного перемещения трущихся деталей обычно в
большей степени влияет на износ, чем удельное давление в месте контакта. В
еще большей степени, чем скорость взаимного перемещения деталей, влияют
на износ при прочих неизменных условиях вибрации, влажность, химическая
среда, температура, газовая среда (наличие кислорода), наличие активных присадок в смазке (сера, фосфор и др.).
В конкретных эксплуатационных условиях та или иная группа факторов
является доминирующей, определяющей вид износа и его интенсивность.
Несоответствие результатов испытаний практике эксплуатации обычно
связано с игнорированием или неудачным воспроизведением внешних условий.
Методы определения ресурса машин непрерывного и периодического
действия различны; для машин непрерывного действия, выход из строя которых в процессе работы недопустим (например, авиадвигатель), ресурс всей
машины определяется ресурсом наиболее «слабой» детали. Основными причинами выхода детали или узла из строя часто является недопустимый износ и
уменьшение предела выносливости; реже определяющими ресурс факторами
являются естественное старение, коррозия, температура и др. Обычно в «чистом» виде, в «одиночку» эти факторы на деталь не действуют: выход из строя
детали или узла, определяет их сложная взаимосвязь.
Предварительный инженерный анализ дает примерный перечень деталей,
выход которых из строя ведет к остановке машин, и определяет основные
факторы, влияющие на отказ детали и сопутствующие ему (например, характерный шум, повышение температуры, уменьшение оборотов и другие явления). Анализ такого рода дает возможность разобраться в причине остановки
машины во время ресурсных испытаний или в сложной ситуации и убедиться в
закономерности характера поломки детали. Отсутствие предварительного инженерного анализа может привести к неправильным выводам: случайная причина может помешать правильному определению ресурса.
У машин периодического действия, внезапная остановка которых допустима, но не желательна, и конструкция которых позволяет заменить деталь
или узел, вышедший из строя, определяют ресурс до первого отказа, затем после замены отказавшей детали — до следующего отказа (уже другой детали) и
т.д. Ресурс машины периодического действия определяется временем ее работы до поломки, требующей капитального ремонта или вообще исключающей
возможность ее восстановления. Боевой живучестью называют способность
механизма времен но сохранять работоспособность при нанесении ему определенных повреждений (механического порядка) в боевой обстановке. В зависимости от назначения конкретной механической системы (машины) речь может
идти о частичной или полной работоспособности, о выполнении части функций
или всего их комплекса, характеризующего боевые качества машины.
К биологическим испытаниям относят проверку на стойкость деталей
машины (и машины в целом) против воздействия бактерий, насекомых и дру107
гих живых организмов (плесени, термитов, моллюсков и пр.), разрушающих
смазку, детали из дерева, резины, из некоторых пластмасс и влияющих, например, на мореходные качества.
Цель радиационных испытаний - проверка воздействия солнечного или
радиоактивного облучения на интенсивность старения и других изменений в
свойствах материалов элементов конструкции (например, изменения хрупкости
углеродистых сталей).
Под так называемыми морскими испытаниями обычно понимают комплекс испытаний, связанных с эксплуатацией в морских условиях. В этот комплекс входят испытания химические (воздействие морской воды, морского тумана), динамические (удар морской волны, качка, прибой) биологические и ряд
других, специфических для данных условий воздействий.
Комплексными являются также так называемые тропические испытания
(влажностные, температурные, биологические и др.). Оба комплекса, в зависимости от характера требований к конструкции, часто включают в себя граничные значения испытываемых параметров механизма или граничные характеристики внешней среды.
Близость результатов, полученных при испытаниях, к данным, полученным в процессе эксплуатации, зависит от тщательности определения условий
испытаний; точности воспроизведения условий испытаний, соответствия оборудования задачам испытаний, качества обработки материалов испытаний.
Габарит машины, особые условия испытаний, их характер,, соображения
экономического порядка или срочная необходимость в приближенной информации заставляют иногда производить испытания над моделями машины и ее
элементами. Испытание моделей, независимо от тщательности их изготовления, дает весьма приближенные результаты. Причиной этого являются трудности
учета масштабного фактора, различие в применяемых материалах, в чистоте поверхности, отличие технологии изготовления и сборки модели от аналогичных
процессов реальной конструкции.
В наиболее полном объеме натурным испытаниям подвергаются опытные,
вновь создаваемые механические системы и их элементы. Среди этих испытаний наиболее сложными, не только
с точки зрения техники выполнения, но и по определению предполагаемых режимов внутренних и внешних условий работы, являются испытания на
прочность и надежность.
Основной бич большинства испытаний на прочность в машиностроении это пренебрежение к «поправкам», вносимым действием внешнего фактора
(прочностные испытания в большинстве случаев производятся, например, при
нормальных температурных условиях).
Испытанные в лабораторных и полигонных условиях элементы механизмов харьковских вездеходов, в общем показавших себя в условиях Антарктиды
удовлетворительно, потребовали в первый же год эксплуатации ряда конструктивных изменений, в основном из-за недостаточного учета температурного
фактора. Общеизвестно снижение ударной вязкости металла и изменение других механических характеристик с понижением температуры до - 80°; также
108
легко учитывать температурные изменения зазоров в сопряжениях деталей из
разных металлов; все это можно учесть при конструировании.
На Киевском машиностроительном заводе подвергли повторно-статистическим испытаниям тонкостенную металлическую конструкцию (30000 циклов эксплуатационной нагрузки) и на основании её удовлетворительного состояния после испытаний установили ресурс в несколько лет. Однако в первый же
год ее эксплуатации почти на всех серийных машинах в строго определенных
(правда, не силовых) узлах появились усталостные трещины после нескольких
сот эксплуатационных циклов.
Разрушение многих конструкций начинается часто с потери усталостной
прочности, возникновения микротрещин именно в менее ответственных, не силовых частях агрегатов, что иногда объясняется излишней или недостаточной
жесткостью в направлении действующих нагрузок.
Причина этого заключается в том, что условия испытаний - нагрузки, их
направление, вибрационные и внешние условия работы - бывают далеки от реальных. Хотя такие случаи и редки, их очевидные последствия заставляют более внимательно относиться к определению условий испытаний.
Установившиеся колебания системы СПИД часто изобилуют всплесками,
причинами которых могут быть посторонние включения в материал обрабатываемой детали, неравномерность износа резца и др.
Если условия испытаний определены правильно, то необходимо возможно точнее воспроизвести их. Точность воспроизведения условий работы в очень
большой степени определяется оборудованием и контрольными и фиксирующими приборами лабораторий, стендов, степенью оснащения полигонов, испытательных станций.
Широко применяемые тензометрирозание и электронная техника позволяют оборудовать самоходные машины, корабли и самолеты компактной испытательной аппаратурой, фиксирую щей во время натурных испытаний основные
параметры работающих агрегатов, узлов и ответственных деталей. Ценность
результатов испытаний машин-лабораторий очевидна.
Длительные натурные испытания машин-лабораторий на разных режимах, в различных внешних условиях дают полную картину работы машины. Записи самописцев отражают такие «необъяснимые» скачки различных параметров, которые в условиях лабораторных, стендовых испытаний не имеют места.
В этой «необъяснимости» отражены обычно не учитываемые, случайные нагружения и влияние внешних условий.
Характерной, несомненно положительной, чертой натурных испытаний
механических систем является их естественное взаимодействие с другими системами - пневматическими, электрическими, гидравлическими, радиоэлектронными, являющимися непременными составляющими современных машин. При
натурных испытаниях механические системы испытываются не изолированно
от других, входящих в комплект машины, систем и этим еще более усиливается
воздействие внутренних и внешних факторов, что исключено на стенде.
Возможность учета и воспроизведения многих факторов, влияющих на
работу машины, позволила на изделиях, где стендовые испытания являются од109
новременно и натурными (металлорежущие станки, весовые устройства, печатные машины и пр.) определять ресурс методом ускоренных испытаний.
Программы таких испытаний состоят из определенного количества циклов пусковых, остаточных и пиковых режимов, испытываемых машиной в последовательности, близкой к эксплуатационным условиям. Отличием от «нормального» эксплуатационного режима является непропорционально малое время в цикле, отводимое установившемуся режиму (нормальной нагрузке), непрерывность испытаний и во много раз сокращенный (по сравнению с предполагаемым ресурсом) срок испытаний.
Ускоренные испытания осуществляются на многих опытных машинах.
Это особенно выгодно в автомобилестроении, самолетостроении и в тех отраслях машиностроения, где моральное старение происходит иногда быстрее физического. Однако к результатам ускоренных ресурсных испытаний необходимо относиться осторожно. В зависимости от типа машин, выбранного режима
испытаний и внешних условий их проведения (они могут проводиться в течение одного времени года) результаты могут значительно расходиться с данными эксплуатации.
Кратковременность ускоренных ресурсных испытаний не дает возможности проявиться фактору времени, в свою очередь, влияющему на естественное
старение, износ, коррозию и другие определяющие факторы, проявляющиеся
как непосредственно, так и в потере динамической прочности и работоспособности отдельных узлов. Составление какой-либо единой методики исследования утраты работоспособности различными машинами не представляется пока
возможным вследствие большого разнообразия условий работы и требований,
предъявляемых к ним в эксплуатации. Однако к наиболее общим методическим
правилам испытаний можно отнести необходимость:
проведения лабораторно-стендовых испытаний наряду с натурноэксплуатационными;
тщательной и точной фиксации момента окончания нормальной работы
детали, механизма;
исследования взаимного расположения деталей, зазоров, характера поломки, состояния поверхностей трения, наличия усталостных трещин, структурных изменений материала и других внешних и внутренних причин потери
работоспособности.
Если исследуемые детали или механизмы в процессе испытаний в условиях стенда или эксплуатации не находятся под непрерывным наблюдением,
позволяющим фиксировать (удобнее всего это делать автоматическими приборами и устройствами) изменение наблюдаемых параметров при одновременном
учете («на фоне») нагрузок (напряжений) и условий внешней среды, то ценность испытаний снижается. При отсутствии такого рода непрерывного наблюдения нельзя правильно расшифровать его результаты. Затруднительно определение действительных причин потери работоспособности, так как нет иногда
должной увязки с внешними факторами, изменением нагрузки, не предусмотренным программой испытаний, и другими случайными явлениями, сопутствующими работе механизма.
110
Увеличение количества проведенных испытаний и обработка их результатов методами математической статистики позволяют получить ещё более достоверные выводы.
111