Допустимые и недопустимые виды износа

Ряд исследований показал, что в связи с проблемой надежности все виды износов могут быть разбиты на де группы: к первой группе относят допустимые износы, а ко второй – недопустимые (повреждаемость).

К допустимым относят явления, связанные с процессами минимизированной пластической деформации, активизации тончайших поверхностных слоев металла, немедленное их взаимодействие с агрессивными компонентами окружающей среды (газовой или жидкой) и образования равномерно распределенных на поверхности вторичных структур, облегчающих процесс внешнего трения и препятствующих развитию явления схватывания.

Простой и наиболее распространенной разновидностью допустимого изнашивания является окислительное изнашивание (рис. 66).

Рис. 3.3. Деталь, работающая в условиях окислительного изнашивания

К недопустимым разрушениям относят схватывание I и II рода, изнашивание при фреттинг-коррозии, абразивное изнашивание, а также прогрессивное выкрашивание материала рабочей поверхности детали в результате усталостных изменений.

С позиций классификации отказов вторая группа процессов приводит в основном к так называемым эксплуатационным отказам, возникающим в результате нарушения установленных правил и условий эксплуатации машин, поэтому эти процессы требуют специального рассмотрения.

Основной задачей при эксплуатации является создание таких условий, при которых не происходило бы перехода от нормального допустимого износа к другим видам износа вызывающим разрушение поверхностей.

На основе экспериментальных исследований предложена схема, объясняющая причины перехода от допустимого износа к недопустимым.

Рис. 3.4. Схема перехода от допустимого к недопустимым видам износа при нарушении режимов эксплуатации машин

Схватывание I рода – процесс, развивающийся в результате возникновения локальных металлических связей, их деформации и разрушения с отделением частиц металла с рабочей поверхности и налипанием их на противоположную поверхность. Этот процесс проходит при малых скоростях относительного скольжения поверхностей трения и больших удельных нагрузках, превышающих предел текучести металла на участках фактического контакта.

Конструктивные методы устранения:

1. Подбор пар сопряжения по твердости и уменьшение пластичности материала.

2. Физико-химическая защита (обмеднение, наплавка латунью или бронзой и так далее).

3. Эксплуатационные мероприятия – применение соответствующих смазочных материалов.

Схватывание II рода развивается при больших скоростях скольжения и высоких давлениях. Этот процесс сопровождается значительным повышением температуры рабочих поверхностей деталей, образованием трещин, вырыва частиц металла с одной из поверхностей и переносом их на другую.

Методы устранения:

1. Конструктивными способами – охлаждение и теплоотвод.

2. Технологическими способами – увеличение теплоустойчивости сталей (термообработка, легирование вольфрамом, титаном, ванадием и другими металлами).

3. Эксплуатационные мероприятия – работа в оптимальных режимах.

Процессы схватывания I и II рода характерны для подшипников качения и зубчатых колес механических передач.

Абразивное изнашивание является наиболее распространенным на практике – возникает в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц. Абразивное изнашивание возникает в результате проникновения твердых абразивных частиц (например, кварцевых песчинок) с воздухом, смазкой, топливом в сопряжения трения, а также обусловлено образованием в парах трения продуктов износа.

Методы устранения:

1. Конструктивными способами – установка фильтров там где это возможно, создание конструкции узлов, исключающие попадание абразива.

2. Технологические способы – использование специальных сталей.

3. Эксплуатационные мероприятия – рациональные углы установки рабочего органа.

Этому виду изнашивания подвержены элементы ходовой части, трансмиссии, а также рабочие органы дорожных машин.

Усталостное изнашивание поверхности трения или отдельных ее участков происходит в результате многократного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц. Под действием нагрузок, не превышающих предела текучести материала детали, на рабочей поверхности возникают усталостные микротрещины, которые, постепенно смыкаясь, приводят к образованию частиц износа. Этот процесс приводит к интенсивному выкрашиванию материала на поверхности детали (питтингу).

Методы устранения:

1. Выбор соответствующего теплового режима.

2. Подбор материалов деталей.

3. Обоснованный выбор смазочного материала

Усталостные повреждения возникают в деталях машин при трении качения с проскальзыванием.

Усталостное изнашивание характерно для деталей зубчатых передач, подшипников качения (рис.3.5,3.6).

 

Рис. 3.5. Дефект детали, вызванный усталостным изнашиванием

Рис. 3.6. Дефект конической шестерни, вызванный смятием

Износ деталей определяют непосредственным измерением с соблюдением правил, предусмотренных действующими ГОСТами и методами. Предпочтителен косвенный метод измерения износа, что относится к технической диагностике (см. гл. 11).

 

Лекция 4

Эксплуатационные материалы.

4.1. Общие свойства топлив, и их влияние на работу ДВС и требования к ним

Для современных дорожных и строительных машин оснащенных гидроприводом и вновь создаваемых машин большой единичной мощности и производительности с форсированными ДВС требуется в большом количестве топлив, моторных, гидравлических и трансмиссионных масел, пластических смазок высокого качества. Основным источником получения этих продуктов является нефть, добыча которой в требуемом количестве с каждым годом усложняется. В связи с этим проблема рационального и эффективного использования ТСМ на современном этапе является одной из актуальных.

Важным звеном в решении этой проблемы является экономичное использование ТСМ при эксплуатации СДМ.

В связи с повышением роли и значения ТСМ в экономике привело к появлению на стыке ряда научных дисциплин новой прикладной отрасли науки, получившей название «химмотологии» от слов химия, мотор и логия (наука).

Химмотология – наука об эксплуатационных свойствах, качестве и рациональном применении в технике топлив, смазок и специальных жидкостей.

Химмотологию сегодня рассматривают как составную часть взаимосвязанной единой четырехзвенной системы: топливо – смазочные материалы – строительная техника – эксплуатация.

Рис. 4.1

Среди важнейших на современном этапе задач химмотологии отмечают следующие:

– обоснование оптимальных требований к качеству ТСМ;

– усовершенствование технических характеристик двигателей и машин, повышающих надёжность, долговечность и экономичность их работы в условиях применения ТСМ, которые удовлетворяют установленным оптимальным требованиям;

– создание новых сортов ТСМ и разработка основ их унификации;

– выявление оптимальных условий, обеспечивающих сохранность, снижение потерь и восстановление качеств ТСМ при хранении, транспортировании, заправке и применении;

– создание внедрение квалификационных методов и их комплексов для оценки эксплуатационных свойств ТСМ и другие.

В процессе работы и хранения машины и её сборочные единицы находятся в постоянном взаимодействии с эксплуатационными материалами: топливом, смазочными материалами, гидравлической и охлаждаемой жидкостью и другими. В зависимости от свойств этих материалов и условий их применения характер этого взаимодействия изменяется в широких пределах. При этом ускоряется или замедляется изнашивание и эрозия деталей, изменяются расход эксплуатационных материалов и производительность машин.

Применение эксплуатационных материалов должны соответствовать конструктивным и технологическим особенностям машины, её техническому состоянию, сезонности и условиям эксплуатации.

Топлива, применяемые для различных типов двигателей внутреннего сгорания, по назначению делятся на авиационные и автомобильные бензины, дизельные и реактивные топлива.

К качеству каждого сорта топлива предъявляются свои специфические требования.

В общем виде требования, предъявляемые к качеству всех сортов топлива, формулируются следующим образом:

– топлива должны обладать высокими эксплуатационными свойствами, обеспечивающими надежную и экономичную работу двигателя (не вызывать детонацию, нагарообразование, лакообразование, коррозию, обладать пусковыми свойствами и другими)

– топливо не должно вызывать особых затруднений при хранении, транспортировании, перекачке и заправке в баки машин;

– топливо не должно быть токсичным и не должно вызывать опасности загрязнения окружающей среды.

Среди многочисленных свойств, на которых базируется оценка качества, важнейшими являются свойства, проявляющиеся при эксплуатации машин, то есть в условиях сложного взаимодействия физико-химических процессов и явлений. Отсюда все свойства ТСМ принято условно делить на

· физико-химические (плотность, вязкость, теплота сгорания, испаряемость и другие),

· эксплуатационные (детонационные, нагарообразование, лакообразование, осадкообразование, коррозионные, пусковые и другие),

· экологические (токсичность, пожароопасность, взрывоопасность, влияние на окружающую среду).

Испаряемость – одно из важнейших свойств топлив, характеризующее способность его переходить из жидкого состояния в газообразное. В паспортах характеризующих качество топлив, испаряемость оценивают фракционным составом. Фракционный состав (содержание тех или иных фракций) бензина принято оценивать температурой начала перегонки (кипения), температурами, при которых выкипает 10, 50, 90% объёма и температурой конца перегонки, а также остатком в колбе после испарения жидких фракций.

 

Рис. 4.2. Фракционный состав топлив: 1, 2 – зимний и летний бензины; 3, 4 – зимнее и летнее дизельные топлива; 5 – авиационный бензин

 

Для дизельных топлив – температурой 50, 90% объёма и температурой конца перегонки, и остатком в колбе после испарения. В соответствии с этими температурами выделяют легкие фракции бензинов (до выкипания 10% топлива), рабочие фракции (от 10 до 90%) и хвостовую часть (от 90% до конца кипения). Эти данные приводят в стандартах и паспортах топлив.

Каждая из этих фракций определённым образом влияет на работу ДВС.

1. Лёгкие фракции бензинов называют пусковыми. Эти фракции необходимы для пуска и прогрева двигателя. Для нормального пуска холодного двигателя в теплое время года температура выкипания 10% топлива не должна превышать 70–90˚С. Зимние бензины выпускаются с пусковыми фракциями с температурой выкипания 55–65˚С. Это позволяет завести двигатели при температурах –20…–25˚С. Высокое количество пусковых фракций в топливе нежелательно. В этом случае в дизельных двигателях происходит более резкое (жёсткое) сгорание топлива. В топливопроводах могут образовываться газовые и паровые пробки, что приводит к нарушению нормальной работы двигателя (падает мощность, глохнет и его невозможно завести пока не остынет).

2. Рабочая фракция (основная часть). От этой фракции зависит характер работы двигателя, продолжительность прогрева, возможность перехода с одного режима на другой. Рабочая фракция нормируется температурой выкипания 50% объема топлива и чем эта температура ниже, тем однороднее состав и устойчивее работа двигателя. Желательно, чтобы эта часть кривой была как можно круче.

3. Тяжелая фракция (хвостовая часть) характеризуется температурами от выкипания 90% объема топлива до точки конца кипения. Чем меньше разница температур между этими точками, тем лучше качество топлива, выше экономичность двигателя и ниже износ двигателей. Эта фракция плохо испаряется, оставаясь в жидком состоянии, проникает в картер, смывает смазку, разжижают масло, что приводит к более интенсивному износу деталей и повышенному расходу топлива. Выхлопные газы становятся очень тёмными, увеличивается нагар в зоне цилиндропоршневой группы и закоксовываются распылители форсунок.

На испаряемость топлива оказывают влияние также его вязкость, плотность, и некоторые другие физические свойства.

Для бензинов нормируется давление насыщенных паров. Для летних сортов бензинов во избежание образования газовых пробок, оно должно быть меньше 500 мм. рт. с. Зимние бензины для облегчения пуска двигателя в холодное время имеют большее давление 500 – 700 мм. рт. с.

Температура вспышки, при которой пары нефтепродукта с воздухом образуют горючую смесь, вспыхивающая при поднесении открытого источника огня. Температура вспышки бензинов очень низка: их пары вспыхивают, если даже бензин вылить на снег.

Керосин и некоторые дизельные топлива также легко воспламеняются при положительных температурах соответственно 25-30˚С и свыше 35˚С.

Температура застывания (при которой жидкость теряет подвижность) у бензинов очень низкая ниже –40˚С. У дизельных топлив в зависимости от химического состава температура застывания составляет 5…0˚С и от –30 до –45˚С.

В стандартах и паспортах качества на бензины вязкость, температура вспышки и застывания не нормируется, а для дизельных топлив эти показатели ограничены.

Смоло – и нагарообразование в двигаткелях

В топливах в растворимом состоянии всегда содержатся смолистые и смолообразующие соединения. Смолы откладываются в топливных баках, трубопроводах, забивают жиклеры карбюраторных двигателей. Способствуют образованию нагара на горячих деталях соприкасаемых с топливом, на соплах форсунок дизелей, на клапанах и днище поршня, в камере сгорания, на поршневых кольцах.

В топливах различают фактические смолы (то есть находящиеся в топливе в момент их определения в растворенном состоянии) и смолообразующие вещества (потенциальные смолы). Стандартами нормируется содержание фактических смол в миллиграммах на 100 мл топлива.

Для бензинов – 7 … 15 мг/100мл;

Для дизельных топлив – 30 … 60 мг/100мл.

Если наличие смол в топливах превышает в 2…3 раза норму, то моторесурс карбюраторного двигателя снижается на 20…25%, а дизельного на 40%.

В стандартах на дизельное топливо кроме смол нормируется коксуемость и зольность повышенное содержание, которых приводит к образованию нагара.

По стандартам в бензинах и дизельных топливах наличие механических примесей не допускается.

Коррозионные свойства

Топливо вызывает коррозию металлов и в жидком, и в газообразном состоянии, когда образуется горючая смесь. На коррозию влияют и продукты сгорания. От углеводородов топлива металлы не коррозируют.

Коррозии подвергаются резервуары, цистерны, топливные баки, трубопроводы, детали топливоподающей аппаратуры.

В топливах могут быть следующие коррозионно-агрессивные соединения:

· водорастворимые (минеральные) кислоты и щелочи;

· активные сернистые соединения;

· вода;

· органические кислоты.

В топливах не допускается содержания водорастворимых кислот и щелочей, а также воды.

Сернистые соединения по коррозионной агрессивности подразделяются на активные и неактивные. Активные коррозируют при обычных температурах (это сера, сероводород и меркаптаны).

Неактивные сернистые соединения не коррозируют при обычных температурах, но в процессе сгорания образуют серный ангидрид и сернистый которые, растворяясь в воде (в продуктах сгорания топлива имеются пары воды) образуют серную и сернистую кислоты. Эти кислоты вызывают резкое возрастание износа деталей двигателя 1,5…2 раза.

Допустимые значения серы в топливах:

Для бензинов – 0,12 … 0,15 %;

Для дизельных топлив – до 0,5%, а в некоторых до 1%.

Органические соединения

Основу органических соединений кислого характера, которые содержатся в топливах, составляют нафтеновые кислоты и фенолы. Наиболее активны они по отношению к цветным металлам (свинец, цинк).

Содержание органических кислот в топливах характеризуют кислотностью. По ГОСТам её нормируют количеством щелочи (в миллиграммах), потребной для нейтрализации кислот содержащихся в 100мл топлива.

Допустимая кислотность составляет:

Для бензинов – до 3 мг/100мл;

Для дизельных топлив – до 5 мг/100мл.

Постоянное увеличение объемов переработки высокосернистой нефти приводит к поиску новых методов борьбы с сернистой и кислотной коррозией. К этим методам можно отнести:

– добавка присадок в топливо;

– изготовление деталей из легированных, нержавеющих сталей, их покрытие коррозионно-устойчивыми материалами (хромирование);

– подбор для каждого типа двигателя моторного масла.

4.2. Топлива для карбюраторных двигателей

Основное топливо для карбюраторных двигателей – бензины различных сортов и марок. Развиваемая мощность и экономичность двигателя, его надёжность и эффективность во многом зависит от правильного выбора бензина и его свойств. Автомобильный бензин – это смесь углеводородов, имеющих температуру кипения от 40 до 60˚С.

Карбюраторный двигатель будет надёжно и эффективно работать только в том случае, если бензин удовлетворяет следующим эксплуатационным требованиям:

1) имеет высокие карбюраторные свойства, то есть образует такую горючую смесь, которая обеспечивает лёгкий пуск двигателя и устойчивую его работу на всех режимах;

2) не вызывает детонации двигателя, то есть обладает высокой детонационной стойкостью;

3) образует, возможно, меньшее количество смол в баках и топлив проводящей аппаратуре и нагаров на горячих деталях двигателя;

4) отличается высокой стабильностью, и при длительном хранении его состав и свойства меняются незначительно;

5) не вызывает коррозии резервуаров, баков, трубопроводов, а продукты его сгорания – деталей двигателя;

6) теплота сгорания горючей смеси достаточно высока.

Основным процессом, происходящим в двигателе, является сгорание топлива. При нормальном горении скорость распространения пламени в карбюраторном двигателе составляет 25–30 м/с. Это процесс сложен и изучен не до конца. В процессе горения выделяются различные пары и газы (их температура достигает 1500–2400˚С), образующие при сгорании с кислородом пламя. Углекислый газ, пары воды, окислы серы, если она содержится в топливе, являются конечными продуктами горения.

На процесс сгорания бензина в значительной мере влияет количество подаваемого воздуха. Количество воздуха L₀ в горючей смеси теоретически необходимое для полного сгорания 1кг топлива, называют стехиометрическим. Для различных топлив это значение в кг воздуха также имеет различные значения:

Авиационный бензин – 14,9 кг

Автомобильный бензин – 14,8 кг.

Дизельное топливо – 14,4 кг.

Метиловый спирт – 6,5 кг.

Отношение действительного количества воздуха L к стехиометрическому, называют коэффициентом избытка воздух α..

α= L / L₀

По величине этого коэффициента различают горючую смесь на богатую или бедную.

Богатая смесь если α<1, бедная если α>1. Более интенсивно процесс горения протекает при небольшом обогащении горючей смеси (α=0,95). Но на скорость горения оказывают также химический состав топлива, количество остаточных газов в цилиндре двигателя, температура и давление смеси, число оборотов двигателя и ряд других факторов.

При нормальном сгорании процесс происходит плавно с почти полным протеканием реакции окисления топлива. Если скорость распространения пламени резко возрастает (почти в 100 раз) и достигает 1500–2000 м/с то возникает детонационное сгорание. Это вызывает характерный металлический стук (звон). Начинается вибрация деталей двигателя, что приводит к резкому увеличению износа, падению мощности за счёт неполного сгорания топлива, перегреву двигателя и может вызвать разрушение его деталей.

Способность бензина противостоять детонации или его детонационную стойкость, оценивают октановым числом.

Октановое число определяют в основном двумя методами: моторным и исследовательским. Октановое число – условная единица, она указывается в марках всех бензинов.

Эффективным способом повышения экономичности работы двигателя является увеличение степени его сжатия. Однако чем она выше, тем высокооктановый бензин необходим для работы двигателя. В настоящее время повышение октанового числа бензинов достигается путём добавления к базовому топливу высокооктановых компонентов или антидетонаторов.

Стандартами нормируется содержание фактических смол в топливах. Для бензинов это 7–15 мг на 100 мл топлива. Если наличие смол в топливе превышает в 2–3 раза норму, то моторесурс карбюраторного двигателя снижается на 20–25%.