Изнашивание деталей в двигателях внутреннего сгорания

Введение

В процессе эксплуатации механизмов их отдельные сборочные единицы (узлы трения) изнашиваются, т.е. теряют свои первоначальные свойства. Изнашивание происходит в результате механических воздействий при трении двух соприкасающихся поверхностей, например, в шестеренных передачах зубьев шестерен (трение зуб о зуб), в червячных передачах - поверхности червяка и червячного колеса, в подшипниковых соединениях - цапфы и втулки (подшипники скольжения).

Все трущиеся детали механизмов в соединениях имеют мельчайшие неровности, высота которых зависит от шероховатости поверхности. Высота этих неровностей достигает 6-10 мкм. Трущиеся поверхности изнашиваются вследствие соприкосновения этих неровностей. Интенсивность изнашивания трущихся поверхностей зависит также от свойств смазочного материала и степени герметизации соединений сборочных единиц.

При попадании на трущиеся поверхности абразивных веществ, например, песка, металлической стружки, механическое изнашивание прогрессирует, что вызывает увеличение зазора между трущимися поверхностями и в результате этого ударные нагрузки на них.

Большинство механизмов и элементов в процессе работы испытывает переменные нагрузки. Такие нагрузки со временем снижают прочность тех элементов, на которые они действуют. Изнашивание поверхности трения или отдельных ее участков в результате повторного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц, называется усталостным изнашиванием. Усталостное изнашивание приводит к выкрашиванию трущихся поверхностей деталей, к появлению трещин в материале. Интенсивность усталостного изнашивания зависит от величины нагрузки, частоты циклов нагружения, формы нагружаемого элемента и места приложения нагрузки к элементу.

изнашивание деталь форма поверхность

В шарнирных и трущихся соединениях могут наблюдаться комбинации механического и усталостного изнашивания. Механическое и усталостное изнашивание неустранимы, однако профилактические меры, предусмотренные системой планово-предупредительного технического обслуживания и ремонта, способствуют резкому снижению обоих видов изнашивания. Усталостное изнашивание - это процесс разрушение поверхностей деталей от внутренних напряжений, пластических деформаций, усталостных явлений, возникающих при больших давлениях и нагрузках. При этом изнашивании на поверхности трения образуются микротрещины, трещины, единичные и групповые впадины. Примером такого изнашивания может служить выкрашивание поверхностей зубьев, рабочих дорожек ходовых колес, образование ямок на рабочих канавках обойм шариковых и роликовых подшипников, поломка шеек валов.

Интенсивность усталостного изнашивания зависит от величины нагрузки, ее длительности и количества изменений направления этой нагрузки. Усталостное изнашивание не зависит от смазки, но зависит от чистоты обработки и главным образом от конфигурации детали.

Описание условий эксплуатации узла

ДВС - двигатель внутреннего сгорания, является одним из самых распространенных двигателей. Его устанавливают на автомобили, корабли, трактора и т.д. Существует два вида двигателей внутреннего сгорания - бензиновые и дизельные.

Бензиновые ДВС работают на жидком горючем (бензине, керосине и т.п.) или на горючем газе (сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах). Основная часть ДВС - один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда и название двигателя. Наибольшее распространение получил четырёхтактный двигатель.

Дизельные ДВС - другой тип двигателей внутреннего сгорания. Воспламенение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно, сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой температуры. Этим он отличается от бензинового топлива внутреннего сгорания, в котором используется особое устройство для воспламенения топлива (свеча).

В данной расчётно-графической работе для исследования были выбраны подшипники качения коленчатого вала, двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Для того чтобы понять как изнашивается данный узел трения нам необходимо установить в каких условиях работает данная пара трения и какие виды изнашивания происходят при этом. Срок службы подшипников качения зависит от условий производства, хранения подшипников, обслуживания, установки, нагрузки и условий работы.

В подшипниках качения будет действовать усталостное изнашивание, т.к. действуют большие знакопеременные нагрузки и вал вращается с большой частотой. Данный узел может работать с использованием смазки. В подшипники вместе со смазкой могут попадать различные инородные абразивные частицы которые будут ускорять процесс износа, вследствие этого будет реализоваться абразивное изнашивания.

При вступлении металла в химическую реакцию с окислителями окружающей среды, смазочным материалом или присадками смазочных масел содержащих коррозионно-активные вещества, будет происходить окисление металла, что вызовет окислительное изнашивание. Вибрация так же будет ускорять процесс изнашивания.

Схема контакта деталей

Подшипниковый узел составного коленчатого вала:

- подшипники скольжения;

- шатун;

- шатунная шейка;

- коренная шейка;

- противовес.

Описание видов изнашивания и формы поверхностей деталей после изнашивания

Подшипник качения является стандартным узлом трения, применяемым во многих агрегатах транспортных средств. Это обуславливается высокой универсальностью данного сопряжения, способностью воспринимать значительные осевые и радиальные нагрузки при высоких скоростях вращения, низкими энергетическими потерями при его работе. В подшипниках качения может применятся смазка твёрдыми, жидкими и пластичными смазочными материалами. Различные условия эксплуатации опор качения стали причиной создания большого количества конструкционных видов подшипников.

Основными видами изнашивания подшипников качения, как правило, является: усталостное разрушение (в виде питтинга), адгезионное, абразивное, коррозионно-механическое изнашивания.

Одной из наиболее распространённых причин выхода из строя подшипника является контактная усталость в виде питтинга поверхностей беговых дорожек внутреннего и внешнего колец и тел качения. Изначально под воздействием многократных знакопеременных деформаций происходит образование дефектов чаще всего в области проскальзывания. С течением времени концентрация и размеры дефектов растут и происходит их слияние и образование микротрещин. При увеличении нагрузки микротрещины объединяются и происходит выкрашивание материала (питтинг). Рис.1.

Рис.1. Выкрашивание материала (питтинг)

При работе подшипника без смазки при высоких режимах нагружения в зоне его контакта будет возникать высокие температуры, которые являются причиной адгезионного изнашивания. Это изнашивание будет характеризоваться тем, что на поверхности трения будут появляться углубления произвольной формы в зоне наибольших давлений. Рис.2.

Рис.2. Адгезионное изнашивание

Малые абразивные частицы, например продукты изнашивания металлов, проникающие в подшипник, приводят к повреждению дорожек качения, тел качения и сепаратора. Поверхность качения становится матовой, в зависимости от размера и типа абразивных частиц. По мере изнашивания дорожек качения и сепаратора количество абразивных частиц возрастает. Этот процесс распространяется всё шире, до тех пор, пока детали подшипника ни изнашиваются настолько, что он становится непригодным к работе. Абразивные частицы проникают в подшипник извне, если уплотнения не соответствуют условиям работы. Частицы могут попадать в подшипники вместе с загрязнённой пластичной смазкой или во время сборки подшипникового узла. Рис.3.

Рис.3. Абразивный износ

Задиры на поверхности являются следствием абразивного износа и проявляются в виде глубоких царапин на дорожках и телах качения. Отдельные задиры поверхности создают точки концентрации напряжения, в которых возможно проявление усталостных явлений. Задиры поверхности вызываются относительно большими частицами материала, которые попадают в подшипник и двигаются по дорожкам при движении тел качения. Для устранения задирав нужно использовать хорошие уплотнения и чистую смазку подшипника. Рис.4.

Рис.4. Задиры поверхности дорожек и тел качения в виде глубоких царапин

Окислительное изнашивание осуществляется когда металл вступает в химическую реакцию с окислителями окружающей среды или смазочного материала. Использование присадок содержащих соединения хлора, фосфора, серы и др. будет вызывать химическую реакцию. Металл будет вступать во взаимодействие при котором будет происходить его окисление, формирование модифицированного слоя и его усталостное разрушение. Рис.5.

Рис.5. Окислительное изнашивание

Форма изношенной поверхности

На рисунке представлена работа подшипника при плохой смазке. В процессе работы микровыступы поверхности сталкиваются друг с другом, что приводит к возникновению на поверхности напряжений сдвига. Вследствие усталости материала появляются небольшие трещины, приводящие впоследствии к микрорастрескиванию.

Вывод

В данной расчётно-графической работе был выбран и исследован узел трения подшипники качения. Определили каким виды изнашивания он подвергаются в процессе работы. Главными причинами изнашивания, на мой взгляд, является усталостное разрушение т.к. под воздействием больших знакопеременные нагрузки металл быстро разрушается. Наличие абразивных частиц так же негативно сказывается в процессе работы. На поверхностях образуются царапины, канавки и углубления. Для недопущения попадания частиц в зону контакта требуется соблюдать "стерильные" условия и применять хорошие уплотнения и чистую смазку подшипника. Не применять присадки смазывающих масел которые могут содержать коррозионно-активные вещества (соединения хлора, фтора, серы). Для избежание быстрого износа подшипники изготавливают из стали с добавлением хрома (хром повышает твёрдость и износостойкость стали и обеспечивает необходимую прокаливаемость). Износостойкость может достигаться и таким образом: одну деталь (например, вал) выполняют из материала высокой твердости, а другую (подшипник скольжения) - из мягкого антифрикционного (бронзы, баббита, металлокерамики и др.), в зависимости от условий эксплуатации и требований, предъявляемых к деталям, выбирают материал для изготовления подшипников.

Список литературы

1.       Богданович П.Н., Прушак В.Я. "Трение и износ в машинах" Учеб. Для вузов. - Мн.: Выш. Шк., 1999. - 374 с.

2.       Крагельский И.В. "Узлы трения машин. Справочник." М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.

.        Журнал "Трение и износ"

.        Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей: Учебник для студентов вузов / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1980.

.        Двигатели внутреннего сгорания / Под ред. д-ра техн. наук проф.В.Н. Луканина. М.: Высш. школа, 1985.