Отказы деталей машин. Анализ причин, техническая диагностика и профилактика

А. О. Токарев, И. Г. Мироненко 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ʽ˃ʶʤʯˏʪʫ˃ʤʸʫʱʺʤˌʰʻ 
Анализ причин, техническая диагностика и профилактика 
 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 

УДК 621.8 
ББК 34.44 
Т51 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Токарев, А. О. 
Т51  
Отказы деталей машин. Анализ причин, техническая диагностика и профилактика : учебник / А. О. Токарев, И. Г. Мироненко. ² 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. ² 220 с.  
ISBN 978-5-9729-0506-5 
 
Приведены основные сведения о повреждениях и отказах меха- 
нического и энергетического оборудования, находящегося в длитель- 
ной эксплуатации. Описаны методы линейных измерений, позволяю- 
щие оценить и классифицировать фактическое техническое состояние 
объекта контроля, а также установить причины его разрушения. Даны 
производственно-технологические и эксплуатационные рекомендации по 
повышению надёжности механических систем.  
Учебник предназначен для студентов технических специальностей. 
Может быть использован работниками водного и других видов транспорта 
при анализе причин поломок и выборе технологии ремонта деталей машин 
и механизмов. 
 
УДК 621.8 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ББК 34.44 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0506-5 
 
” А. О. Токарев, И. Г. Мироненко, 2020 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 

 
 
 
ʝʒʚʏʑʚʔʜʗʔ 
Список принятых сокращений ...................................................................... 6
Введение.. ............................................................................................................ 7
Основные термины и определения 
................................................................ 9
ГЛАВА 1. ВИДЫ ОТКАЗОВ В ТЕХНИКЕ ................................................ 17
1.1. Аварийные разрушения объёмно-нагруженных  
деталей машин и механизмов .............................................................. 17
1.1.1. Хрупкое разрушение ........................................................................ 17
1.1.2. Вязкое разрушение .......................................................................... 20
1.2. Разрушения деталей, нагруженных   
циклически изменяющимися напряжениями 
..................................... 23
1.2.1. Влияние концентрации напряжений  
и масштабного фактора на сопротивление   
усталостному разрушению ........................................................... 31
1.2.2. Влияние масштабного  эффекта  
на усталостную прочность 
........................................................... 32
1.2.3. Влияние состояния поверхности   
на сопротивление усталостному разрушению 
............................ 33
1.2.4. Влияние технологических  факторов  
на усталостную прочность 
........................................................... 34
1.2.5. Влияние внешней среды и коррозии  трения  
на сопротивление усталостному разрушению 
............................ 35
1.2.6. Суммарная количественная оценка  влияния  
конструкционных и технологических  факторов  
на сопротивление усталости ........................................................ 40
1.3. Макроструктурный  фрактографический анализ изломов................. 40
1.3.1. Анализ поверхности разрушения ................................................... 40
1.3.2. Классификация причин  возникновения трещин в деталях  
машин и механизмов ....................................................................... 45
1.4. Выход деталей из строя  в результате действия  
поверхностных нагрузок ...................................................................... 47
1.4.1. Трение и изнашивание  поверхностей  
деталей машин при трении ........................................................... 47
1.4.2. Виды изнашивания  поверхностей деталей машин 
..................... 61
3 
 

 
1.4.3. Другие виды повреждения поверхностей   
деталей машин и меры их предупреждения ................................ 76
1.5. Основные положения  безаварийной  
эксплуатации машин и механизмов .................................................... 78
1.5.1. Допустимые и предельные износы деталей 
................................. 78
ГЛАВА 2. ОСНОВЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ   
 ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ........................................... 80
2.1. Общие понятия ....................................................................................... 80
2.2. Виды и средства  технического диагностирования ............................ 81
2.3. Инструментальные методы диагностирования 
................................... 83
2.3.1. Отклонения геометрической  формы  
и размеров деталей машин ............................................................ 83
2.3.2. Мерительные инструменты 
.......................................................... 88
2.4. Основные методы неразрушающего контроля ................................... 96
2.4.1. Визуально-оптический контроль .................................................. 96
2.4.2. Ультразвуковой контроль 
............................................................ 101
2.4.3. Вихретоковая дефектоскопия 
..................................................... 104
2.4.4. Магнитный контроль ................................................................... 108
2.4.5. Контроль проникающими веществами ...................................... 114
2.5. Диагностика усталостных повреждений металла 
............................. 116
2.5.1. Метод акустической эмиссии ..................................................... 117
2.5.2. Метод магнитной памяти металла 
........................................... 120
2.5.3. Приборы и оборудование 
.............................................................. 124
ГЛАВА 3. ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ   
И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ  
ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ  
СУДОВЫХ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ 
.............................. 126
3.1. Детали типа «вал» ................................................................................ 126
3.1.1. Силовые валы ................................................................................. 127
3.1.2. Коленчатые валы .......................................................................... 135
3.1.3. Валы кулачковых механизмов ...................................................... 142
3.2. Детали типа шатунов ........................................................................... 148
3.2.1. Стержни и крышки шатунов 
...................................................... 150
3.2.2. Вкладыши подшипников ............................................................... 154
3.2.3. Болты шатунные .......................................................................... 158
3.3. Детали цилиндропоршневой группы ................................................. 162
3.3.1. Поршни ........................................................................................... 162
4 
 

 
3.3.2. Поршневые кольца ........................................................................ 167
3.3.3. Втулки (гильзы) цилиндров ДВС 
.................................................. 173
3.3.4. Поршневые пальцы 
........................................................................ 178
3.4. Клапаны газораспределительного механизма 
................................... 183
3.5. Пружины ............................................................................................... 193
3.6. Зубчатые передачи ............................................................................... 195
ГЛАВА 4. ИЗНАШИВАНИЕ И РЕМОНТ ДЕТАЛЕЙ   
СУДОВ ТЕХНИЧЕСКОГО ФЛОТА ...................................... 202
Заключение 
..................................................................................................... 211
Список литературы 
....................................................................................... 215
 
 
 
 
5 
 

 
 
 
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 
АЭ 
акустическая эмиссия; 
ВД 
вихретоковая дефектоскопия; 
ВОК 
визуально-оптический контроль; 
ЗКН 
зона концентрации напряжений; 
ЗТВ 
зона термического влияния; 
ИКН 
измеритель концентрации напряжений; 
ИЭ 
инструкция по эксплуатации; 
КД 
капиллярная дефектоскопия; 
ММП, МПМ метод магнитной памяти металла; 
МПД 
магнитопорошковая дефектоскопия; 
НК 
неразрушающий контроль; 
ОК 
объект контроля; 
РМРС 
Российский Морской Регистр Судоходства; 
РРР 
Российский Речной Регистр; 
РЭ 
руководство по эксплуатации; 
СМПР 
собственное магнитное поле рассеяния; 
СТС 
судовые технические средства; 
ТНВД 
топливный насос высокого давления; 
ТУ 
технические условия; 
УЗК 
ультразвуковой контроль; 
ЦПГ 
цилиндропоршневая группа. 
 
 
 
6 
 

 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
Выход деталей из строя при правильно организованной системе 
эксплуатации машин связан с их износом до предельно возможной потери 
размеров. Такие детали обрабатываются на ремонтные размеры с удалением дефектного изношенного слоя или заменяются сменно-запасными 
при планово-предупредительных ремонтах. При нарушениях технологии 
изготовления деталей или при погрешностях, допущенных при сборке 
машин, а также при нарушении правил технической эксплуатации механизмов изнашивание трущихся поверхностей происходит с повышенной 
скоростью. Это приводит к снижению коэффициента полезного действия 
механизмов, возникновению вибраций, «дымлению» двигателей, к преждевременному исчерпанию моторесурса машин, а в ряде случаев к возникновению аварийных ситуаций. К ещё более серьёзным последствиям 
приводит поломка деталей машин при эксплуатации. 
Инженерный расчёт деталей на прочность и надёжность в практике 
судового машиностроения ведётся на основании известных формул, 
изложенных в курсах сопротивления материалов и деталей машин. 
Допускаемые напряжения при этих расчётах принимаются с запасом 
прочности на основании испытания механических свойств тех или других 
материалов. 
Некоторые детали настолько сложны, что прочность их определяется 
натурными испытаниями до разрушения или определением величины 
деформации при помощи датчиков и различных тензометров. 
Несмотря на точность расчётов и надёжные запасы прочности, при 
эксплуатации деталей, как показывает практика, всё же происходят их 
аварии. Правильный анализ причин аварий имеет чрезвычайно большое 
значение для внесения корректив в указанные расчёты и определения 
такого запаса прочности, который бы гарантировал надёжную работу 
детали. 
Приводимый ниже анализ причин аварий различных деталей указывает, что большинство поломок происходит вследствие возникновения  
и постепенного развития трещин усталости. Хрупкие изломы, происходящие мгновенно, встречаются значительно реже усталостных. Как устало0стные, так и хрупкие изломы не сопровождаются заметной пластической деформацией. Напротив, отличительной особенностью вязких 
изломов служит наличие значительной пластической деформации,  
в результате которой происходит излом. В эксплуатации такие изломы 
встречаются редко, лишь при нештатных, аварийных ситуациях. 
7 
 

 
Знания характерных причин разрушения деталей машин и судовых 
конструкций поможет судовому механику организовать безаварийную 
эксплуатацию судовой техники. 
 
 
 
 
8 
 

 
 
 
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
Отказ. По мере технической эксплуатации различных механизмов, 
машин, устройств происходит возникновение и накопление в них различных повреждений. Незначительные повреждения, которые не нарушают работоспособности объекта устраняются в процессе технического 
обслуживания. Существенное же повреждение, которое приводит к нарушению работоспособности объекта, при котором система или элемент 
перестает выполнять целиком или частично свои функции, установленные 
нормативно-технической документацией, вызывает сбой в работе устройства, системы, органа является отказом. 
По характеру возникновения случаются внезапные и постепенные 
отказы. 
Внезапный отказ, характеризующийся резким изменением одного 
или нескольких параметров состояния механизмов. Причины внезапного 
отказа случайны, они могут быть обусловлены непредусмотренными 
перегрузками, дефектами материала, накоплением усталостных повреждений, ошибками персонала, сбоями системы управления и т. п.; 
Постепенный отказ, характеризующийся медленным постепенным 
изменением параметров объекта. Он возникает в результате закономерного 
и неизбежного накопления повреждений, дефектов, таких как: износ, 
коррозия, старение материала. Вероятность возникновения постепенного 
отказа повышается c увеличением наработки механизмов. 
Дефекты в соединениях деталей можно показать в виде схемы (рис. 1). 
 
 
Рис. 1. Виды дефектов сопряжений деталей 
Потеря жесткости. В соединениях и связях ослабляются резьбовые  
и заклепочные соединения, в результате чего наступает потеря жесткости. 
При техническом обслуживании необходимо проверять крепежные детали 
9 
 

 
и своевременно подтягивать с усилием, определенным техническими требованиями. 
Нарушение контакта. Этот дефект возникает вследствие уменьшения площади прилегания поверхностей у соединяемых деталей.  
В результате происходит потеря герметичности соединений, увеличиваются динамические, ударные нагрузки, что ускоряет процесс изнашивания. 
Нарушение посадки деталей. Это наиболее распространенный 
дефект в соединениях, возникающий из-за увеличения зазора или уменьшения натяга. 
Нарушение размерных цепей. Этот дефект характеризуется изменением геометрической формы деталей, нарушением геометрических 
соотношений: соосности, перпендикулярности, параллельности и т. д., 
вследствие чего происходит повышение динамических нагрузок, нагрев 
деталей. 
Повреждения деталей. Классификация повреждений деталей о показана в виде схемы (рис. 2). 
 
Рис. 2. Виды повреждения деталей механизмов и элементов конструкций 
Износ ² результат процесса изнашивания деталей. Процесс изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия или 
инструмента вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя 
изделия. 
Изнашивание ² это процесс разрушения, отделения частиц материала с поверхности твердого тела и накопления остаточной деформации 
при трении или ином внешнем агрессивном воздействии. Различают 
изнашивание механическое, коррозионно-механическое и при заедании. 
Механическое изнашивание происходит в результате механических 
воздействий. Оно наиболее распространено, причем возможны следующие 
разновидности: 
 абразивное изнашивание ² в результате режущего или царапающего действия твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии; 
 эрозионное изнашивание ² при воздействии потока жидкости 
или газа; 
10