Условия смазки трущихся поверхностей

Эксплуатация и ремонт машин и оборудования НиГ промыслов.

Лекция 5.

Условия смазки трущихся поверхностей.

1. Смазка трущихся деталей – важнейший фактор, влияющий на долговечность машины. При различных видах трения в зависимости от качества и количества смазки коэффициент трения сопряженных пар изменяется в сотни раз (от 0,001 до 0,25). Поэтому в каждом конкретном случае для уменьшения износа и трения надо применять смазки определенного сорта. Смазка должна обеспечивать в первую очередь уменьшение износа, а затем уже снижать силы трения. Для обеспечения стабильности свойств смазочных масел в них вводят соответствующие присадки - противоокислительные, противокоррозионные, моющие. На изнашиваемость деталей большое влияние оказывает наличие абразива, его физико-механические свойства и размер. Детали бурового и НП оборудования и инструмента выходят из строя в основном из-за абразивного износа, иногда усиленного усталостным и коррозионным разрушением. Установлена следующая взаимосвязь между износом стали и твердостью абразива.

1) Износ не зависит от разности твердостей абразива и стали, если твердость абразивных зерен значительно превышает твердость испытуемой стали.

2) Если твердость абразивных зерен ниже твердости стали, то износ зависит от разности твердостей и быстро уменьшается с увеличением этой разницы.

Рекомендуемые материалы

Установлено, что с увеличением размера зерна абразива износ повышается лишь до определенного критического размера зерна, а затем остается постоянным и уже не зависит от размера зерна абразива. При защите узлов трения от проникновения абразивных частиц их износ понижается. Существуют следующие способы защиты от износа сопрягаемых деталей:

1) Минимальное закругление свободной кромки натирающего стыка.

2) Отсутствие тупого угла между плоскостями.

3) Уменьшение зазора между поверхностями трения, как следствие увеличения чистоты поверхностей трения.

4) Создание ограждающей набивки в виде колец и прокладок.

5) Создание ограждающего козырька.

6) Отсасывание абразива.

7) Промывка или продувка трущихся поверхностей.

2. Начальный и предельный зазоры.

При оценке работоспособности деталей их размеры и технические характеристики делятся на нормальные, допустимые и предельные.

Нормальными называют размеры и другие технические характеристики детали, соответствующие рабочим чертежам.

Допустимыми называют параметры детали, отличающиеся от нормальных, но не снижающие её работоспособности.

Предельными называются параметры, соответствующие предельному состоянию детали, при достижении которого  дальнейшее её использование в машине не допустимо.

Допустимые размеры деталей определяют и назначают исходя из предельных, установление которых представляет наибольшую сложность. Работоспособность оборудования и его деталей ограничивается величиной зазоров и натягов в сопряжениях, которые определяются при конструировании и осуществляются при его изготовлении и ремонте.

S_max– установленный начальный зазор

S_пр – зазор в соединении после приработки

S_{max доп} – максимальный допустимый зазор.

Физическая долговечность деталей определяется запасом зазора на износ, т.е. разностью между начальным зазором и максимально допустимым зазором.

Предельным износом называется такая величина износа деталей, при которой дальнейшая работа сопряжения становится ненадежной и экономически нецелесообразной. Признаки предельного износа деталей могут быть сведены к следующим трем критериям:

1) Техническому (износ, недопустимый по соображениям прочности).

2) Технологическому (снижение качества работы).

3) Экономическому (снижение производительности, увеличение расхода топлива, убытки от простоев и т.д.).

3. Методы измерения износа.

Наиболее распространенные методы измерения износа можно разделить на четыре группы: методы микрометража, методы искусственных баз, интегральные методы, методы радиоактивных индикаторов.

Методы микрометража основаны на непосредственном измерении деталей до и после работы, приборами для линейных измерений. Недостатком этих методов является затруднительность непрерывного (в процессе эксплуатации) измерения износа. Методы микрометража трудоемки и требуют значительного времени испытания, т.к. при малых значениях износа погрешности приборов часто соизмеримы с величиной износа.

Методы искусственных баз заключаются в том, что на поверхности, износ которой исследуется, наносятся углубления в виде пирамиды или дугообразной лунки. Ось углубления должна быть направлена нормально к поверхности износа. По уменьшению размеров периметра углубления судят о величине износа. Углубление наносится вдавливанием алмазной четырехгранной пирамиды, которая применяется для измерения твердости. В практике наиболее широко применяется нанесение дугообразной лунки вращающимся резцом. Этот метод в несколько раз эффективнее предыдущего, т.к. точнее и требует меньшей продолжительности испытаний.

Интегральными методами можно определить лишь суммарный износ детали по поверхности трения. К этой группе относится взвешивание детали для фиксирования потери в весе. количество изношенного металла можно установить по его содержанию в масле. Современные методы количественного анализа позволяют с высокой точностью определить очень малые количества частиц износа в пробе масла. Этот метод широко применяется для исследования качества новых масел.

 Наиболее современными являются методы радиоактивных индикаторов. В принципе этот метод заключается в том, что в материал исследуемой детали вводится радиоактивный изотоп. Вместе с продуктами износа в масло попадают атомы радиоактивного изотопа в количестве пропорциональном величине износа. По интенсивности его излучения в пробе судят о величине износа. Применяются различные методы активирования деталей: введение активированного изотопа при плавке; нанесение радиоактивного электролитического покрытия; установка радиоактивных вставок; облучение нейтронами. Методы радиоактивных индикаторов очень чувствительны. Наиболее совершенным в этой группе является метод нейтронно-активационного анализа.

4. Химико-тепловые повреждения.

К наиболее характерным разновидностям химико-тепловых повреждений относятся коробление, раковины и коррозия.

Коробление деталей, как правило, является результатом воздействия высоких температур, приводящего к возникновению внутренних напряжений. Такие повреждения наблюдаются при нарушении теплового режима блоков ДВС, при неправильной технологии изготовления сварных конструкций, например, металлических оснований под буровое оборудование и т.п.

Раковины являются результатом местных циклических воздействий высокой температуры на рабочие поверхности деталей, приводящих к точечному разрушению материала. Наиболее характерным примером такого разрушения служат раковины на уплотнительных поверхностях клапанов ДВС.

Коррозия поверхностей деталей происходит под действием химических и электрохимических реакций среды. Она характеризуется и отслаиванием поверхностных слоев детали. Буровое и нефтегазопромысловое оборудование эксплуатируется под открытым небом или в среде, содержащей различные химические соединения (сероводород), которые, вступая в реакцию с металлом детали,  оказывают на неё  вредное действие. Аналогично воздействуют на материал детали различные кислоты, содержащиеся в смазочных маслах и топливе. Одним из примеров повреждения деталей бурового оборудования в результате коррозии может служить разрушение основных элементов главной и вспомогательной опор ротора, колец и шаров.

Явления коррозии начинаются с повреждения поверхности и постепенно распространяются вглубь металлических деталей машин как во время их эксплуатации, так и при хранении. наиболее распространенная коррозия – химическая, представляющая собой соединение металла с кислородом воздуха. Известна коррозия, проявляющаяся в равномерном разрушении всей поверхности деталей, в образовании отдельных участков коррозии (местная) и в межкристаллическом разъединении по всему сечению детали, в разрушении металла по границам его зерен (интеркристаллитная) и в разрушении одной или нескольких структурных составляющих металла (селективная).

В результате коррозии в металлических деталях не только изменяется внешний вид, но так же снижаются механические свойства и меняются размеры деталей, что является главной опасностью.

В качестве защиты от коррозии используют окраску (лаки, краски), применяют легированние деталей (хром, никель, медь), покрытие специальными мастиками (битум, бакелит), создание защитной окисной пленки (оксидирование, анодирование), коррозиостойкого металлического слоя (цинкование, лужение, гальванические методы, металлизация) и применение коррозиостойких неметаллических материалов.

5. Методы повышения износостойкости деталей.

Долговечность машины в значительной степени зависит от сроков службы её деталей. наибольшие усилия  детали машин в процессе работы воспринимают своими поверхностными слоями. Абразивный износ и коррозия начинаются с поверхности детали. Усталостное разрушение начинается с появления трещин в поверхностном слое детали, которые постепенно распространяются вглубь. При трении изнашиванию подвергаются так же поверхностные слои детали. Поэтому поверхностное упрочнение деталей широко применяется при изготовлении и ремонте бурового и НП оборудования.

6. Термические и химико-термические методы упрочнения деталей.

Термическая обработка производится путем нагрева, выдержки и охлаждения деталей с целью получения необходимой структуры металла, которая влияет на его механические свойства, прочность, твердость, износостойкость и обрабатываемость.

Термической обработке подвергаются железоуглеродистые сплавы и некоторые сплавы цветных металлов. В машиностроении широко распространена термическая обработка стали. основными видами термической обработки являются: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг заключается в нагреве детали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и затем последующем медленном охлаждении (2⁰- 3⁰С в 1 мин.) до температуры охлаждающего воздуха. Отжиг применяется для снижения твердости, повышения пластичности, снятия внутренних напряжений, устранения структурной неоднородности, улучшения обрабатываемости и подготовке детали к последующей термической обработке. В зависимости от цели отжиг производится при различных режимах. Различают отжиг полный, неполный, диффузионный, низкий и рекрилизационный. В ремонтном деле применяют полный и неполный отжиг – нагрев стали с содержанием углерода до 0,8 % до 750⁰-760⁰С, а с меньшим содержанием углерода до 930⁰-950⁰С с выдержкой при этих температурах и медленном охлаждении в печи. Неполный отжиг – нагрев стали с любым содержанием углерода до 750⁰-760⁰С. Снижается внутреннее напряжение и улучшается обрабатываемость поковок и проката.

Нормализация – разновидность полного отжига, отличается тем, что охлаждение обрабатываемой детали после выдержки в течении 5-6 ч при температуре нагрева производится на воздухе. Целью нормализации является улучшение микроструктуры металла, обрабатываемости, устранение наклепа после обработки резанием и подготовка к последующей термической обработке. нормализацией улучшают структуру металла после цементации, ковки и штамповки, сварки деталей.

Закалка – нагрев детали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении в воде, масле, водных растворах солей и других жидкостях с последующим отпуском. Целью закалки является получение высокой твердости, износостойкости и прочности металла. Закалке подвергаются стали с содержанием углерода не менее 0,35 %. Температура нагрева зависит от марки стали и находится в пределах 770⁰- 850⁰С. Закаленные детали обладают высокой твердостью (НВ 500-600) и износостойкостью, но имеют низкую вязкость и пластичность. Для устранения этих дефектов применяют поверхностную закалку. Нагрев детали при поверхностной закалке производится тремя способами: токами высокой частоты, газо-кислородным пламенем и в электролите.

Отпуск – операция применяемая после закалки для снижения внутренних напряжений, хрупкости и твердости. При отпуске деталь нагревают до 150⁰-160⁰С, выдерживают при этой температуре 1-2 часа и охлаждают в воде. Различают низкий, средний и высокий  отпуски, они отличаются температурой нагрева

5.1 Химико-термическая обработка стали, вызывает изменение химического состава структуры и свойств поверхностного слоя деталей и является разновидностью поверхностной термической обработки. Изменение химического состава достигается путем проникновения в нагретую сталь из окружающей среды углерода, азота, алюминия, бора и т.д. различают следующие виды обработки : цементация, азотирование, цианирование, алитирование, барирование.

5.2 Упрочнение деталей армированием твердыми сплавами.

Эффективным методом поверхностного упрочнения сталей является наплавка твердых сплавов. Они содержат карбиды хрома, ванадия, титана и др. металлов и характеризуются высокой твердостью, износостойкостью, прочностью и химической стойкостью. Твердые сплавы производятся как порошкообразные, литые, электродные и металлокерамические.

Порошкообразные – сталинит, вокар наносятся путем наплавки на поверхность. Ими наплавляют детали не требующие последующей механической обработки.

Литые – стеллит, сормайт – прутки  Ø 5-8 мм. Наплавляются с помощью газового или электродугового способа и применяются для деталей машин работающих на истирание.

Электродные – изготавливают в виде трубчатых электродов или металлических электродов с легирующими износоустойчивыми обмазками. Электроды наплавливаются  эл.дуговым способом.

Металлокерамические сплавы обладают  высокой твердостью и износостойкостью при температуре 700⁰- 800⁰С и применяются в основном для оснащения режущего инструмента.

5.3 Упрочнение деталей методом механического наклепа.

Наличие на поверхности деталей неровностей приводит к концентрации напряжений и снижению усталостной прочности. Уменьшить это можно путем механического наклепа поверхности, создающего остаточные сжимающие напряжения и увеличивающего механические свойства поверхностного слоя. При этом твердость увеличивается в поверхностном слое на глубине 0,1-3 мм. Существует 2 способа механического наклепа: обкатка и друбьеструйное упрочнение.

Обкатка – производится на токарных, сверлильных станках при помощи закаленных роликов и применяется после чистовой обработки.

Дорбьеструйное упрочнение деталей производится при помощи воздействия потока дроби на поверхность детали в специальной камере.

Вам также может быть полезна лекция "Стили эпохи Просвещения".

Механическому наклепу подвергаются валы, оси, пружины и др. детали для повышения усталостной прочности и долговечности.

5.4 упрочнение деталей методом гальванического покрытия.

Гальваническое покрытие поверхностей основано на электролизе и применяется для повышения износостойкости и защиты от коррозии. В качестве электролита используется хромовый ангидрид или серная кислота, а в качестве анода,  например – медь. Этот метод не нашел широкого распространения при ремонтах бурового и НП оборудования.

Литература:

1. Кузнецов «Обследование и ремонт бурового оборудования».

2. Авербух и др. «Ремонт и монтаж бурового и НП оборудования».