Отказы деталей машин. Анализ причин, техническая диагностика и профилактика


А. О. Токарев, И. Г. Мироненко








                ОТКАЗЫ ДЕТАЛЕЙ МАШИН




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. — Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. — 220 с.
          ISBN 978-5-9729-0506-5

      Приведены основные сведения о повреждениях и отказах механического и энергетического оборудования, находящегося в длительной эксплуатации. Описаны методы линейных измерений, позволяющие 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

ОГЛАВЛЕНИЕ


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. Хрупкоеразрушение...............................17
    1.1.2. Вязкоеразрушение................................20
  1.2. Разрушения деталей, нагруженных циклически изменяющимися напряжениями....................23
    1.2.1. Влияние концентрации напряжении и масштабного фактора на сопротивление усталостномуразрушению.................................31
1.2.2. Влияниемасштабного эффекта наусталостную прочность................................32
    1.2.3. Влияние состояния поверхности на сопротивлениеусталостномуразрушению.................33
    1.2.4. Влияниетехнологических факторов наусталостную прочность................................34
    1.2.5. Влияние внешней среды и коррозии трения на сопротивлениеусталостномуразрушению.................35
    1.2.6. Суммарнаяколичественнаяоценка влияния конструкционных и технологических факторов на сопротивлениеусталости..............................40
  1.3. Макроструктурный фрактографический анализ изломов...40
    1.3.1. Анализ поверхностиразрушения....................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. Трениеиизнашивание поверхностей деталей машин при трении...............................47
    1.4.2. Виды изнашивания поверхностей деталеймашин......61

3

    1.4.3. Другие виды повреждения поверхностей деталей машин и меры их предупреждения...............16
  1.5. Основныеположения 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. Отклонениягеометрической формы иразмеров 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. Ультразвуковойконтроль.........................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. Методмагнитной памятиметалла..................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. Силовыевалы..................................127
    3.1.2. Коленчатые валы..............................135
    3.1.3. Валы кулачковыхмеханизмов....................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) цилиндровДВС................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 уста-лоОстные, 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 нару-шаютработоспособности 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 с увеличением наработки механизмов.
    Дефекты в соединениях деталей можно показать в виде схемы (рис. 1).


Повреждения сопряжений деталей

Нарушения посадок-увеличение зазора уменьшение натяга

Нарушение поберхности контакта

Потеря жесткости в сопряжениях и связях

Нарушения размерных цепей

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 — результат процесса изнашивания деталей. Процесс изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия или инструмента вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя изделия.
    Изнашивание — 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 — в результате режущего или царапающего действия твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии;
    —   эрозионное изнашивание — при воздействии потока жидкости или газа;

10

    —   гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание — в результате действия твердых частиц, взвешенных в жидкости (газе);
    —   усталостное — в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя;
    —   кавитационное изнашивание — гидроэрозионное изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости.
    Коррозионно-механическое изнашивание происходит в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим или электрическим взаимодействием материала со средой. Разновидности коррозионно-механического изнашивания:
    —   окислительное, при котором основное влияние на изнашивание оказывает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой;
    —   фреттинг-коррозия — изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях.
    Изнашивание при заедании происходит в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия появившихся неровностей на сопряженную поверхность.
    Значение износа может выражаться в единицах длины, объема, массы и др._____________________
    Скорость изнашивания — отношение значения износа к интервалу времени в течение которого он возник (ГОСТ 27674).
    Отложения и наносы. Как дефекты, они возникают в результате осаждения на поверхности деталей продуктов загрязнения масла, топлива и воды, в виде лаков, нагара, смол, накипи и т. д. Наносы вызывают изменение режимов теплообмена, формы и размеров деталей, что ухудшает работоспособность соединений и сборочных единиц.
    Деформации и разрушения. Эти дефекты происходят при длительном воздействии на детали крутящих моментов, динамических нагрузок и высоких температур, что приводит к скручиванию, изгибу, короблению, смятию, пластическим деформациям усталостным разрушениям, изломам и трещинам.
    Изменение свойств материала деталей. Этот процесс происходит под действием температур (при этом изменяется поверхностная твердость), циклических нагрузок (теряется упругость пружин, рессор), химических превращений (сульфатация пластин аккумуляторов, затвердение резиновых деталей) и т. д.
    Коррозия свободных поверхностей. Самопроизвольное и необратимое разрушение материалов вследствие физико-химического взаимодействия со средой носит название коррозии.

11

    Надежность — это свойство объекта сохранять во времени, в установленных пределах, значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать в себя ещё четыре свойства: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.
    Безотказность — это свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.
    Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.
    Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.
    Сохраняемость — свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.
    Техническое состояние объекта — это состояние, которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды, значениями параметров, установленных технической документацией на объект (ГОСТ 20911).
    Работоспособное состояние — состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической, конструкторской (проектной) документации (ГОСТ 27.002) и (или) требованиям Регистра.
    Неработоспособное состояние — состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативнотехнической, конструкторской (проектной) документации (ГОСТ 27.002) и (или) требованиям Регистра.
    Годное техническое состояние — техническое состояние механизмов, которые находятся в работоспособном состоянии и не выявлено превышение норм допускаемых износов и дефектов.
    Предельное состояние — состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно (ГОСТ 27.002).
    Критерий предельного состояния — признак или совокупность признаков предельного состояния объекта, установленные нормативно

12

технической, конструкторской (проектной) документацией (ГОСТ 27.002) и (или) требованиями Регистра.
    Примечания:
   1. Переход объекта в предельное состояние влечет за собой временное или окончательное прекращение эксплуатации объекта. При достижении предельного состояния объект должен быть выведен из эксплуатации, направлен в ремонт, списан, утилизирован или передан для применения не по назначению.
   2. Для ремонтируемых объектов выделяют два или более видов предельных состояний. Например, для двух видов предельных состояний требуется отправка объекта в средний или капитальный ремонт, т. е. временное прекращение применения объекта по назначению. Третий вид предельного состояния предполагает, окончательное прекращение применения объекта по назначению.
    Критерии предельного состояния устанавливаются Инструкцией по эксплуатации, Техническими условиями (ТУ) на дефектацию, средний и капитальный ремонт, и (или) Правилами Регистра.
    Основными критериями неработоспособного состояния механического и энергетического оборудования являются:
    —   разрушения, трещины, задиры основных деталей;
    —   отклонение геометрических параметров (вследствие изнашивания) основных деталей и сопряжений механизма, превышающее норму;
    —   наличие деталей, выработавших назначенный ресурс (например, шатунные болты);
    —   отклонения рабочих параметров механизма (частота вращения; среднее эффективное давление или максимальное давление цикла; давление масла; температура масла и охлаждающей жидкости, и т. п.) за пределы, установленные организацией-изготовителем или регламентированные Правилами Регистра;
    —   неправильное функционирование различных систем, устройств и/или сборочных единиц механизма;
    —   пропуски жидкостей и газов через уплотнения полостей механизмов;
    —   наличие посторонних стуков и шума при работе двигателя;
    —   повышенная вибрация двигателя, которая может привести к повреждению фундаментов, элементов корпуса, трубопроводов, электрооборудования и др.;
    —   разрушения и трещины зубьев зубчатых колёс привода распределительного вала, навешенных на двигатель механизмов.
    Основными критериями предельного состояния оборудования являются, как правило, неустранимые дефекты: разрушения, трещины

13