Козлов В.В. Надёжность горных машин и оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

181

тера.

На усталостных изломах более четко, чем на хрупких,

можно выделить очаг разрушения (области зарождения трещи-

ны), зоны распространения трещины и окончательного разруше-

ния (долом детали).

Около области зарождения трещины, где усталостная тре-

щина распространялась относительно медленно, поверхность

достаточно ровная, сглаженная. Следующая зона развития тре-

щины существенно отличается от первой тем, что имеет неров-

ную поверхность.

Зона долома может иметь либо кристаллическую поверх-

ность, указывающую на то, что окончательное разрушение было

вязким.

Таким образом, на усталостном изломе можно установить

очаг разрушения, зоны медленного и быстрого развития трещи-

ны, зону долома.

Отличительным признаком, характеризующим направле-

ние развития усталостной трещины, служат кольца эллипсовид-

ной формы на усталостном изломе. Иногда эти кольца бывают

выражены очень резко.

Если очаги излома не совпадают с имеющимися концен-

траторами напряжений − галтелями, отверстиями, рисками или

клеймами на поверхности и т.д., можно предположить действие

достаточно высоких нагрузок.

Износ − это результат изнашивания, заключающийся в

разрыве межатомных связей в металле детали, который сопрово-

ждается отделением материала с поверхности твердого тела и

(или) в перераспределении этих связей, сопровождающемся ос-

таточной деформацией поверхностных слоев при трении. Как

правило, износ проявляется в виде изменения размеров и (или)

формы тела

182

Классификация видов изнашивания приведена в

ГОСТ23.002-78 ГОСТ16429-70 ДСТУ2823-94.

Механическое изнашивание − изнашивание в результате

механических воздействий.

Коррозионно-механическое изнашивание - изнашивание

в результате механического воздействия, сопровождаемое хими-

ческим и (или) электрическим взаимодействием материала со

средой.

В условиях граничной смазки изнашивание происходит

в результате локальных повреждений граничной пленки смазки и

возникновения мгновенных молекулярных связей между мате-

риалами трущихся тел. Возможны механическое повреждение

поверхностного слоя через пленку смазки, а также локальное ра-

зупрочнение материала, которому подвержены подшипники

скольжения, подпятники, зубчатые и червячные передачи, порш-

невые кольца и цилиндры.

При сухом трении механическое воздействие осуществ-

ляется микронеровностями контртела при трении скольжения.

Изнашивание происходит в результате механического и молеку-

лярного взаимодействия трущихся поверхностей в условиях уп-

рочнения и разупрочнения поверхностного слоя, в частности при

высокой температуре, генерируемой при трении (детали тормоз-

ных устройств, фрикционных муфт, подшипники скольжения).

Абразивное изнашивание − механическое изнашивание

материала в результате в основном режущего или царапающего

действия на него твердых частиц, находящихся в свободном или

закрепленном состоянии.

Абразивное изнашивание может происходить при трении о

закрепленный абразив или перемещении детали в абразивной

среде. Такой тип изнашивания наблюдается у рештаков скребко-

вых конвейеров, горного инструмента, зубьев звездочек, шнеков.

183

Изнашивание при наличии абразивных частиц происходит у

звеньев открытых цепных передач, у зубчатых передач и других

деталей редукторов не только в случае применения открытых

передач, но и при использовании загрязненной смазки.

Гидроабразивное изнашивание - абразивное изнашива-

ние в результате действия твердых частиц, взвешенных в жидко-

сти и перемещающихся относительно изнашивающегося тела.

При гидроабразивном изнашивании механическое дейст-

вие осуществляется твердыми частицами в условиях разупроч-

няющего действия Среды. Характер разрушения и его интенсив-

ность зависят от направления вектора скорости движущихся час-

тиц, увлекаемых потоком жидкости. Этот вид изнашивания ха-

рактерен для деталей гидрооборудования (клапанные, плунжер-

ные пары и др.).

Усталостное изнашивание - механическое изнашивание в

результате усталостного разрушения при повторном деформиро-

вании микрообъема материала поверхностного слоя.

Усталостное изнашивание развивается при наличии трения

качения и небольшого проскальзывания. При этом механическое

воздействие осуществляется микронеровностями контртела и

характеризуется накоплением и развитием субмикроповреждений

или многократным пластическим деформированием поверхност-

ного слоя.

При изнашивании зубчатых колес наиболее распростра-

ненные виды износа : механический, абразивный, усталост-

ный ,износ при заедании.

В практике механический и абразивный износ участков,

расположенных между линией начала зацепления и ножкой зуба,

обычно называют поднутрением. Усталостный износ, прояв-

ляющийся в виде выкрошивания отдельных участков металла,

называют питтингом; тот же вид износа, проявляющийся в виде

184

крупных участков и полос выкрошивания, − отслаиванием це-

ментированного слоя, раковичным разрушением. Однако

предпочтительнее пользоваться классификацией, приведенной

выше.

Изнашивание при заедании − изнашивание в результате

схватывания, глубинного вырывания материала, переноса с од-

ной поверхности трения на другую и воздействия возникших не-

ровностей на сопряженную поверхность.

Изнашиванием при фреттинг-коррозии − механическое

изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных

относительных перемещениях.

При фреттинг-коррозии в результате многократного де-

формирования одних и тех же пятен контакта происходит хими-

ческое разупрочнение и последующее локальное разрушение по-

верхностного слоя. Этот вид разрушения имеет место у посадоч-

ных поверхностей корпусов, валов, втулок, стаканов, подшипни-

ков качения, шестерен, болтовых и заклепочных соединений.

Изнашивание при фреттинге - механическое изнашива-

ние соприкасающихся тел при малых колебательных относитель-

ных перемещениях.

Эррозионное изнашивание - механическое изнашивание

в результате воздействия потока жидкости и (или) газа.

Кавитационное изнашивание - изнашивание при движе-

нии твердого тела относительно жидкости, при котором пузырь-

ки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное

повышение давления или температуры.

Другие виды изнашивания, такие, как электроэррозионное,

окислительное, не характерны для деталей горношахтного обору-

дования и в настоящей работе не рассматриваются.

Коррозия - разрушение металлов вследствие химического

и электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой.

185

Химическая коррозия - это результат непосредственного

соединения металла, например, с кислородом воздуха. При этом

на металле образуются пленки и дальнейшее взаимодействие со

средой затрудняется.

Химическая коррозия особенно проявляется при эксплуа-

тации горношахтного оборудования во влажной агрессивной

рабочей среде. В деталях горношахтного оборудования наиболее

часто встречаются равномерная сплошная коррозия, охватываю-

щая всю поверхность металла, протекающая с одинаковой скоро-

стью по всей поверхности металла; неравномерная сплошная

коррозия, протекающая с неодинаковой скоростью на различных

участках поверхности металла; точечная коррозия металла в виде

отдельных пятен.

Деформация - результат внутренних напряжений в объе-

ме детали, приводящих к изменению размеров и (или) формы

детали и (или) взаимного расположения поверхностей.

Внутренними напряжениями называют те, которые воз-

никают в изделии под действием факторов (сосредоточенная си-

ла, температура, давление и т.д.) и уравновешиваются внутрен-

ними силами (например, силами межатомного взаимодействия).

В корпусных деталях под действием силовых нагрузок

внутренние напряжения перераспределяются, в результате чего

детали изменяют форму, размеры (коробятся).

Деформации характерны для деталей очистного оборудо-

вания, подвергаемых высоким статическим и динамическим на-

грузкам. Так, у резцов исполнительных органов комбайнов про-

исходит изгиб державок, удлиняются основные и соединитель-

ные звенья тяговых цепей, болты соединительных звеньев.

Разновидностью деформации является также смятие. Сми-

наются резьбы соединений, посадочные поверхности, шпоночные

соединения и др. Характерно, что в случае деформации (коробле-

186

ния и смятия) потеря формы и изменение размеров детали не со-

провождаются потерей массы.

Перечисленные виды поломок, износов и деформации мо-

гут относиться в отдельности к разным деталям, но могут при-

сутствовать одновременно на одной. В последнем случае важно

установить, какой вид повреждения превалировал во времени,

какой способствовал развитию других видов.

10.3 Износостойкость деталей при абразивном

изнашивании

Одной из основных причин недолговечности горношахт-

ного оборудования является интенсивное абразивное изнашива-

ние деталей. Так, вследствие абразивного износа выходят из

строя детали угольных комбайнов, врубовых машин, конвейеров,

проходческих машин, экскаваторов, дробилок и многих других

горных машин и механизмов.

Условия эксплуатации оборудования весьма разнообразны,

поэтому возникают специфические условия и разновидности из-

нашивания, присущие тому или иному виду деталей. Например, в

молотковых и щековых дробилках детали подвергаются сосредо-

точенным ударным нагрузкам и абразивному износу. Зубья шес-

терен редукторов скребковых конвейеров и угольных комбайнов

вследствие загрязнения смазки подвергаются абразивному изно-

су, который имеет свои особенности, и отличается от абразивно-

го износа молотковых дробилок.

Износостойкость зависит от твердости стали, ее микро-

структуры и химического состава. С увеличением твердости ста-

ли возрастает ее износостойкость. Так, например, износостой-

кость стали 35ХГС твердостью НВ 400 (после закалки и отпуска

при температуре 400°С) в 5 раз больше, чем той же стали твердо-

стью НВ 230. Однако строгой зависимости между твердостью и

187

износостойкостью не существует из-за существенного влияния

химического состава и структурных факторов на износостойкость

металла. Среднеуглеродистые стали при одинаковой твердости со

структурой зернистого и пластинчатого перлита имеют различ-

ную износостойкость. Это особенно заметно проявляется при

трении в абразивной среде, в условиях коррозии.

Многочисленными исследованиями установлено, что с уве-

личением в стали содержания углерода и карбидообразующих

легирующих элементов возрастает ее износостойкость.

И.Н.Богачев и Л.Г.Журавлев, М.М.Хрущев и М.А.Бабичев

изучали влияние химического состава на износостойкость стали

при абразивном изнашивании. Установлено, что с увеличением

содержания углерода повышается износостойкость стали. На рис.

10.6 представлена зависимость относительной износостойкости

от содержания углерода и твердости термически необработанной

углеродистой стали, а на рис.10.7 - зависимость после закалки и

отпуска.

Таблица 10.1 - Твердость и относительная износостойкость

сталей при различных режимах термиче-

ской обработки

Марка

стали

Режим термической

обработки

Твер-

дость

кГ/мм

Относи-

тельная

износо-

стойкость

1 2 3 4

40 Без термообработки 163 22,4

Закалка, отпуск при t°С:

300 460 29,8

250 505 31,0

200 560 32,8

150 615 34,7

100 675 36,4

188

50 700 36,8

Закалка без отпуска 730 37,9

Продолжение таблицы 10.1

У8 Без термообработки 186 25,6

Закалка, отпуск пр150°С

822 44,4

9ХС В состоянии поставки 341 31,9

Закалка, отпуск пр150°С

795 48,3

Х12 Без термообработки 218 30,1

Закалка, отпуск при t°С:

600 429

39,2

450 550

45,1

300 680

51,3

150 840

58,6

РФ1

Без термообработки 220

30,1

Закалка, отпуск при

550°С (двукратный)

800

62,0

ШХ15

Закалка, отпуск при

150°С

840

54,6

Таблица 10.2

Микроструктура, % Материал

фер-

рит

пер-

лит

про-

чие

Форма

графита

Твер-

дость

НВ

Коэффи-

циент

относи-

тельной

износо-

стойкости

Белый чугун - 80 Цемен

тит 20

- 364 1,71

Закаленный

магниевый

чугун

- - Мар-

тен-

сит

100

Сферои-

дальный

585 1,63

Закаленный

чугун в литом

состо

нии

- 100 - То же 217 1,12

189

Ковкий чугун - 95 Це-

мент 5

Углерод

421 1,05

Продолжение таблицы 10.2

Модифициро-

ванный чугун

СЧ 38-60

3 97 - Пла-

стинча-

тый

242 1,05

Сталь 50 50 50 - - 200 1,0

Серый чугун

СЧ 21-40

5 95 - Пла-

стинча-

тый

194 0,95

Магниевый

чугун с ферри-

товой основой

100 - - Сферои-

дальный

156 0,75

В табл. 10.1 приведены данные относительной износостой-

кости различных марок сталей в зависимости от их твердости.

Рисунок 10.6 – Зависимость относительной износостойко-

сти отожженных углеродистых сталей: 1 – от

содержания углерода; 2 – от твердости.

190

Рисунок 10.7 – Зависимость относительной износостойко-

сти сталей от твердости при различных тем-

пературах: 1 – сталь У8 после закалки; 2 –

тоже после отпуска; 3 – сталь У12 после за-

калки; 4 – тоже, после отпуска..

Исследования В. Г. Тимофеева и М. М. Хрущева показы-

вают, что в условиях абразивного изнашивания самым износо-

стойким материалом является белый чугун, несмотря на мень-

шую его твердость по сравнению с закаленным магниевым чугу-

ном.

Износостойкость различных материалов при абразивном

изнашивании приведена в табл.10.2.Наиболее эффективными

средствами борьбы с износом являются:

1 технологические методы упрочнения поверхностных слоев;

2 упрочнение и изменение свойств тончайших поверхностных

слоев в процессе эксплуатации различными присадками к сма-

зочным материалам.