Изменение технического состояния машин и аппаратов в процессе эксплуатации.

 

При конструировании, испытании и серийном изготовлении машины ей придают способность выполнять возложенные на неё функции (работоспособность машины) и свойства, обеспечивающие длительное сохранение и экономически целесообразное восстановление работоспособности в процессе эксплуатации (надёжности машины). Всё это вместе взятое вырженное количественными показателями, может быть названо качеством новой машины.

       От начала эксплуатации и до момента списания машина выполняет большой объём полезной работы при непрерывном возэействии на неё неблагоприятных внутренних и внешних факторов (засорённость воздуха, тяжёлые атмосферные условия, многочисленные пусковые периоды, неравномерные силовые и температурные режимы работы и др.). Поэтому её техническое состояние неизбежно ухудшается или, как принято говорить, машина стареет.

 

1.2. Износ деталей оборудования

1.2.1 Виды износа

В процессе эксплуатации оборудования происходит износ деталей, т.е. постепенное изменение формы, размеров и свойств материалов деталей.

При этом увеличиваются зазоры в сопряжениях подвижных деталей и нарушается плотность посадок неподвижных деталей. Возникшие де­фекты приводят к нарушению режима работы оборудования, и если во­время не устранить его, оборудование может выйти из строя.

Износ может быть: нормальный - нормальные условия работы деталей; аварийный - при нарушениях режима работы оборудования.

Нормальный износ возникает из-за трения соприкасающихся деталей, ударной и переменной по величине и направлению нагрузки, а также вследствие теплового и химического воздействия среды на материал деталей при нормальных условиях эксплуатации оборудования.

Аварийный износ - следствие дефектов конструкции, несоответ­ствие материала деталей условиям работы, неудовлетворительного качества изготовления или сборки, нарушений режима работы обору­дования, несвоевременного или некачественного ремонта и т.п.

Различают 4 вида износа: 1) механический, 2) усталостный, 3) молекулярно-механический и 4) коррозионный.

Косвенными признаками износа являются снижение показателей работы машины (например, напора H и Q производительность на­соса или компрессора), появления вибраций, заклинивание и т.д.

Износ зависит от следующих факторов:

качества металла трущихся поверхностей;

чистоты обработки поверхностей;

наличия и качества смазки деталей трущихся пар.

Качество материала влияет на износостойкость пары трения, от него зависит интенсивность и характер пластических деформаций, усталостные явления, изменение структуры от Т и Р.

Обработка - цементация, закалка, азотирование, ведущие к упрочнению поверхностных слоев деталей.

Для уменьшения износа применяют специальные антифрикционные чугуны, баббиты, бронзы и др. материалы.

Скорость износа пары сталь-сталь в 2-3 раза выше, чем сталь Х13 - чугун. С увеличением твердости материала износ детали уменьшается.

 

Характер износа деталей

В процессе износа деталей можно выделить несколько периодов. (рис.1.1). Первый - период приработки - быстрый износ вследствие интен­сивного разрушения микронеровностей, полученных при обработке детали.

Рис. 1.1. Зависимость величины износа от продолжительности работы соединения: I - период приработки; II - период нормальной работы; III - период нарастающего износа.

 

Второй - период нормального износа, характеризующегося постоянной скоростью износа.

Третий - период аварийного износа, возрастание износа. Зазор – d₂ соответствует предельно допустимому.

Численные значения d₂ сочленений машин приводятся в тех-условиях на их ремонт.

Скорость износа dд/dф (tgd < наклона к кривой износа).                                                             

dд/dф = f(ф) в I-ый период уменьшается; II-ой – const; III-ий увеличивается.

Рассмотренные методы описания износа относятся к узлам трения.                                                                                                                                                               Кривая износа является характерной для большинства трущихся деталей.

В целом значительная часть деталей при длительной эксплуатации машины проходит все периоды износа. Для уплотнений манжет, плунжерных пар, сальников, сменных деталей - период аварийного износа на практике не достигается, т.к. потеря эксплуатационных качеств машины, в которую входят эти де­тали, происходит ещё в период нормального износа.

Значительные напряжения возникают в тех местах аппаратов, где из-за обилия штуцеров имеется большое число сварных швов (трещины, выпучины и т.д.).

 

1.2.3. Механический износ

Механический износ - вызывается силами трения при скольжении одной детали по другой, находящихся под нагрузкой (рис.1.2).

Трущиеся поверхности F деталей даже при тщательной обработке имеют неровности (0,05 - 0,1)мкм.

Так как нагрузка на выступы и неровности велика, они подвер­гаются пластической деформации, срезу, скалыванию. В процессе эксплуатации поверхность контакта увеличивается (рис.1.3).

Механический износ - называется абразивным, если между тру­щимися поверхностями F1 и F2 оказываются твердые частицы (про­дукты износа, пыль, частицы перерабатываемого материала и т.д.). В результате - царапины, бороздки, канавки - дополнительные концентраторы напряжений, ведущие к аварийному разрушению деталей.

Рис.1.2.

Рис.1.3. Поверхность контакта трущихся деталей. F << F₁ + F₂ ,

P_1конт и P_2конт>>P_норм = q / F.

 

 

Механический износ проявляется также в пластической деформации деталей подверженны нагрузкам. Например, валы кроме износа тре­ния подвергаются изгибу и кручению, шпонки и шпоночные пазы под­вергаются пластической деформации вследствие перегрузки соедине­ния, некачественной сборки, изготовления или появления ударных нагрузок на шпоночное соединение (рис.1.4).

Рис.1.4

.

Болтовые соединения находятся под статической нагрузкой – Р_з - усилия затяжки. Величина нагрузки определяется усилием затяжки Р_зат = const (рис.1.5).

Так как в аппаратах Т и Р изменяются - это приводит к возникновению динамических нагрузок, под воздействием которых воз­никает усталость металла и удлинение болтов с искажением резьбы, приводящие к ослаблению прочности соединения, герметичности аппарата и т.д., что может вызвать пожар, взрыв, отравление (рис. 1.6).

Рис.1.5. 1 - деталь; 2 - шайба пружинная; 3 - гайки; 4 - болт.

Рис. 1.6. а - нормально статически; б - динамически.

 

Пластические деформации при тепловом воздействии связаны с ползучестью металла.

Для углеродистых сталей ползучесть проявляется при Т > 375 ⁰C, легированных при         T > 420 ⁰С.

К механическим износам относятся также нарушения целостности детали, которая всегда связана с аварийным износом и приводит к аварийным последствиям. Причины нарушения целостности:

1) превышение [s]_д;

2) действие неучтенных концентраторов [s] (царапины, ка­навки и т.д.);

3) большой разброс механических показателей металла;

4) качество изготовления, особенно качество термомеханических операций, сварочных и сборочных работ;

5) качество обслуживания, т.е. ремонта;

6) качество смазки.

В химической промышленности наиболее часто нарушение це­лостности наблюдается у компрессоров - особенно поршневых. На­рушение целостности происходит при ремонте (пропарка емкостей на открытых площадках колонны при сливе воды после гидроиспытаний при закрытом воздушнике, так как в первом случае охлажде­ние приводит к снижению остаточного давления, во-втором возникает вакуум.

Механический износ в аппаратах, не имеющих движущихся час­тей происходит за счет эррозии - т.е. за счет динамического воздействия движущейся среды. (рис. 1.7).

 

1.2.4. Усталостный износ

Усталостный износ возникает под воздействием ударных и пере­менных по величине и направлению нагрузок.

Характерная особенность - износ возникает при нагрузках значительно меньших [s]_д предела прочности материала деталей. Под действием переменных нагрузок на поверхности деталей возникают микротрещины, возникают в местах царапин, надрезов, раковин, резких переходов от одного сечения детали к другому (при несоблюдении радиусов перехода) и в других местах, где концентрируются напряжения. В микротрещины попадает масло, под действием высокого давления Р они расклиниваются, их размер увеличивается, а это приводит к уменьшению поперечного сечения детали

Рис. 1.7. а - Вентиляторы, насосы, компрессоры - лопасти подвергаются ударам капель, твердых частиц, кавитации; б - теплообменники - эррозионный износ трубного пучка; в - аппараты с кипящим слоем; г - бункера, транспортеры, ёмкости; д - трубопроводы - ударное воздействие на начальном участке потоков и завихрений жидкости, пара и т.д.

 

Усталостный износ наблюдается в зубьях шестерен в зоне на­чальной окружности зубьев (рис. 1.8).

Усталостный износ возникает при перегрузке машин, нарушени­ях в режиме смазки, в результате некачественного изготовления деталей или ремонта.

Рис. 1.8.

1.2.5. Молекулярно-механический износ

Молекулярно-механический износ заключается в прилипании (схватывании) трущихся поверхностей, это явление наблюдается при большом Р и недостаточной смазке, когда поверхности сближа­ются столь близко (плотно), что начинают действовать молеку­лярные силы.

Сущность этого явления заключается в следующем - молекулы, расположенные внутри тела, уравновешиваются окружающими их молекулами (рис. 1.9).

Рис. 1.9.

 

Причиной истирания может быть молекулярный износ, при кото­ром молекулярное соприкосновение на отдельных, особо нагруженных участках приводит к слиянию приваркой. При относительном движении поверхностей F₁ и F₂ места приварки разрушаются, и множество частиц отрывается от поверхности - в.

При трении поверхности F₁ и F₂ также нагреваются. В ре­зультате аморфные слои приработанных поверхностей размягча­ются, переносятся трущимися поверхностями F₁ и F₂ на опреде­ленное расстояние - S и, попав во впадины затвердевают.

   Молекулы находящиеся на поверхности, не уравновешены, обла­дают избытком энергии и образуют свободное силовое поле, в ко­тором вступают во взаимодействие с окружающей средой или по­верхностью другого тела.

Молекулярное взаимодействие проявляется схватыванием или заеданием поверхностей при трении. В результате на поверхностях появляются задиры, может произойти поломка деталей и заклини­вание механизма.

 

1.2.6. Коррозионный износ

Коррозионный износ появляется в результате химического или электрохимического воздействия на материал деталей веществ, перерабатываемых в машине или аппарате. Под влиянием коррозии поверхности деталей разъедаются, на них появляются трещины, раковины, металл теряет механическую прочность.

   Разнообразные причины, приводящие к поверхностному изнашива­нию трением в кинематических парах, свидетельствует о том, что изнашивание связано со многими сложными процессами в поверхностных слоях трущихся тел, которые чаще всего протекают сов­местно.

 

Дефектация деталей.