«МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ: ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ Монография Донецк Юго Восток 2011 УДК 658.58 ББК 6 Б 72 Розглянуто питання технічного обслуговування й ремонту механічного облад нання металургійних ...»

Операции по контролю поступления смазки зависят от способа по дачи смазочного материала к узлам механизма. Контролируется отсут

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТОЯНИЯ МЕХАНИЗМОВ

ствие подтеканий масла — признака, определяющего избыток смазки, не исправности уплотнений или ослабления резьбовых соединений. Биения вала возникают при повреждениях подшипников, биения муфт свиде тельствуют о повреждениях или неправильной центровке валов. Ослаб ление резьбовых соединений определяется по следам смещения крепеж ных элементов, наличию окиси железа в виде красного порошка, виб рированию гаек и болтов.

К визуальным методам может быть отнесен и метод диагностирова ния редукторов по значению мертвого хода. При неподвижном выходном вале проворачивают входной, до выбора зазоров в зубчатых передачах, и по значению угла поворота входного вала судят о степени износа зубьев.

Применимость метода визуального осмотра имеет широкие границы.

Увеличители и вспомогательное оборудование Визуальный осмотр можно производить при небольшом увеличении (2, 4, 6, 10) с использованием измерительных луп с фиксированным фокусным расстоянием и осветителем, переносных измерительных мик роскопов с увеличением.

Наиболее простым способом выявления неисправностей механичес кого оборудования является визуальный осмотр, но в труднодоступных ме стах он затруднен. Разборка механизмов для осмотра требует значитель ных затрат средств и ресурсов. Для обнаружения повреждений в таких си туациях применяют специальные оптические приборы — технические эн доскопы.

История технической эндоскопии включает несколько этапов. Пер вый этап — использование разнообразных зеркал, что позволяет расши рить сектор, доступный для осмотра. Следующий этап — оптические кон струкции, отражающие свет встроенной в тело прибора лампочки, улуч шили условия осмотра. Современный период начался в 60 х годах с разви тием оптико волоконных технологий. Оптическое волокно позволило из готовить рабочую часть эндоскопа гибкой — это расширило возможности осмотра. Важным этапом стало появление источников света, обеспечива ющих высокую степень освещенности (порядка 1000…2000 лк) исследуе мых объектов [10]. В настоящее время широкое распространение находят системы получения и анализа изображения с использованием видеоциф ровых компьютерных технологий. Появляется возможность анализа изоб ражения при помощи экспертных систем.

Использование эндоскопов позволяет повысить эффективность ре монтных воздействий при общем снижении затрат. Данный прибор помо жет избежать излишней разборки и замены узлов и деталей, позволяя оп ределить участки, где это необходимо. С помощью эндоскопа возможно получение предварительных сведений о времени и объеме требуемых ра бот. Совмещение эндоскопа с компьютером, фото и видеоприборами дает возможность сохранить изображения для последующего анализа.

Необходимо отметить отсутствие приборов и средств, способных ре ализовать функции, выполняемые человеком при визуальном осмотре. От личительной особенностью визуального осмотра являются трудности при формализации процесса и решении задачи распознавания.

Основным недостатком человеческого зрения является то, что при ма лой освещенности ему не помогают лучшие оптические приборы. Часто ос мотр проводится в условиях худшей освещенности, чем при дневном свете.

Человеческий глаз эффективно приспосабливается к различной освещен ности: зрачок может так сузиться, что позволяет видеть в яркий солнечный день, или так расшириться, что позволяет видеть в практически темной ком нате, где уровень освещенности примерно в миллион раз меньше. Глазу тре буется от 10 до 15 минут для адаптации к изменению освещенности.

Предельный угол, различаемый человеческим глазом, равен 1'. На рас стоянии наилучшего зрения (25 см) нормальный человеческий глаз спосо бен различить две точки, отстоящие одна от другой на 0,07 мм. В условиях оптимального освещения при хорошей контрастности человек способен оценить размер порядка 40 мкм.

Общая информация о технических эндоскопах Эндоскоп в переводе с греческого: endon — внутри и skopeo — рассмат ривать. Эндоскопы разделяются на гибкие и жесткие.

Основа эндоскопа — оптическая система, состоящая из рабочей час ти с оптическими волокнами или линзами, с помощью которых изображе ние передается от объекта к окуляру прибора. Чтобы сделать изображение видимым, изучаемый объект необходимо осветить. Для этого применяют осветительную систему — осветитель с источником света и световодный кабель для передачи света от осветителя к объекту.

Следует отметить субъективность восприятия зрительной информа ции. Человек видит то, что знает. Незнакомые, неопознанные предметы остаются вне поля зрения. Важнейшим вопросом является определение ди агностических, различаемых особенностей осматриваемой поверхности. По отношению к металлическим деталям диагностические признаки — это цвет, форма, сплошность, шероховатость поверхности.

Основной областью применения эндоскопов является осмотр внутрен них полостей механизмов: редукторов, трубопроводов, гидро и пневмоци линдров, двигателей внутреннего сгорания, турбин, компрессоров. Наибо

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТОЯНИЯ МЕХАНИЗМОВ

лее часто диагностическими признаками деталей данных механизмов явля ются: трещины, задиры, следы схватывания поверхности, коррозия. Харак теристики этих видов повреждений поверхности приведены ниже.

Трещины — это дефекты типа разрывов преимущественно двухмерно го характера. Ограничивающие поверхности трещин часто располагаются перпендикулярно к поверхности детали. Абразивный износ — участки с по вышенной шероховатостью вдоль направления действия абразива. Цвета побежалости — дефект поверхности в виде цветной окисной плёнки (от жёлтого до синевато серого цвета). Пятна ржавчины — дефект поверхнос ти в виде пятен или полос с рыхлой структурой окисной плёнки. Вмяти ны — дефект поверхности в виде произвольно расположенных углублений различной формы, образовавшихся вследствие повреждений и ударов по верхности. Риска — дефект поверхности в виде канавки без выступа кро мок с закругленным или плоским дном, образовавшийся от царапания поверхности металла изношенной прокатной арматурой. Риски могут быть тонкими и широкими.

При трении и изнашивании возникает ряд явлений и процессов, по вреждающих и разрушающих поверхности деталей. Схватывание при тре нии — явление местного соединения материалов сопряженных поверхнос тей вследствие взаимодействия молекулярных сил. Перенос металла — яв ление, состоящее в местном соединении материалов сопряженных поверх ностей, последующем его отрыве и переходе материала на другую поверх ность. Заедание — процесс возникновения и развития повреждений поверх ностей трения вследствие схватывания и переноса материала. Задир — по вреждение поверхности в виде широких и глубоких борозд в направле нии скольжения. Царапание — образование углублений на поверхности тре ния в направлении скольжения при воздействии выступов твердого тела или твердых частиц с рабочей поверхностью детали. Отслаивание — отде ление с поверхности трения материала в форме чешуек. Выкрашивание — отделение с поверхности трения материала, приводящее к образованию углублений на поверхности трения.

Жесткие эндоскопы (бороскопы) предназначены для визуального кон троля узлов, к которым возможен прямолинейный доступ. Бороскоп со стоит из оптической и осветительной системы (рис. 2.10). Визуальная сис тема состоит из линзовой оптики, которая заключена в металлическую трубку. Осветительная система состоит из оптического волокна, которое расположено между наружной и внутренней металлическими трубками. Бо роскопы характеризуются: диаметром рабочей части, длиной рабочей час ти, углом направления наблюдения и углом поля зрения.

Гибкие эндоскопы (фиброскопы, рис. 2.11) используют, когда невоз можен прямой доступ к объекту или объект имеет сложную геометрию. В фиброскопах визуальная система и система передачи света состоят из во УПЗ — угол поля зрения; НО — направление обзора; 1 — линза освещения;

2 — объектив; 3 — линзы; 4 — световод; 5 — система поворота смотровой трубки; 6 — подключение наконечника световода; 7 — окуляр; 8 — кольцо регулировки фокуса; 9 — кольцо регулирования остроты зрения СО — сектор обзора; УПДК — угол поворота дистального конца;

1 — объектив насадка; 2 — торец осветительного световода; 3 — окуляр;

4 — световод; 5 — кольцо регулировки фокуса; 6 — кольцо регулировки остроты зрения; 7 — управление поворотом дистального конца вправо и влево;

8 — управление поворотом дистального конца вверх и вниз локонной оптики, расположенной внутри гибкой трубки. Оптический све товод соединяет линзовый объектив и окуляр. Система подсветки включа ет светорассеивающюю линзу, освещающую объект, световолоконный жгут и наконечник, подключающийся к осветителю.

Технические характеристики эндоскопов Основные характеристики эндоскопов — диаметр и длина рабочей ча сти. Для бороскопов длина может составлять до 300 диаметров. Макси мальная длина бороскопа — 4200 мм. Фиброскопы могут иметь длину до

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТОЯНИЯ МЕХАНИЗМОВ

670 диаметров рабочей части. Стандартная длина фиброскопа обычно со ставляет 3 метра. При оформлении заказа на эндоскоп необходимо также указать: направление наблюдения — прямое, боковое, под углом; угол поля зрения — узкий 35°, нормальный 60°, расширенный 90°; угол поворота ди стального конца — 60°, 90°, 120°; увеличение изображения — не более 6 кратного; глубину резкости — 10…100 мм при постоянной фокусировке и 6… при регулируемой фокусировке; освещенность объекта осмотра — 1000…5000 лк; условия работы смотровых трубок — температуру, давление окружающей среды, возможность работы в агрессивных средах.

ВИДЫ ИЗНОСА И ПОЛОМОК ДЕТАЛЕЙ

3.1. Виды механического изнашивания Механический износ — процесс постепенного разрушения поверхно стей деталей при относительном движении. Для повышения надежности работы оборудования следует выявить условия возникновения отдельных видов изнашивания, механизм разрушения и внешний вид поверхности трения. Основная функция визуального осмотра трущихся поверхностей — определение вида изнашивания и постановка диагноза, позволяющая при нять рациональные ремонтные воздействия, снижающие скорость износа.

Контактируемые поверхности деталей машин характеризуются мик рорельефом, который в начальный момент работы узлов трения определя ет площадь фактического контакта. В процессе эксплуатации под действием рабочих нагрузок и деформаций образуется рабочий рельеф, состоящий из впадин и выступов. Их размеры зависят от внутреннего строения материа лов деталей и процессов пластической деформации. При относительном движении в поверхностных слоях контактируемых деталей возникают уп ругопластические деформации, вызывающие появление вторичных (фи зических, химических, механических) процессов. Профессор Б. И. Костец кий выделяет пять основных видов механического износа: износы схваты ванием I и II рода, окислительный, осповидный и абразивный [11].

Износ схватыванием первого рода наблюдается при трении скольже ния. Характеризуется возникновением адгезионных связей между деталя ми (рис. 3.1). Условия возникновения: малая скорость относительного дви жения (до 1 м/с для узла, состоя щего из двух стальных деталей);

высокое давление, превышающее предел текучести на площадках фактических контактов; отсутствие смазки или защитной пленки окис лов между трущимися деталями;

низкая температура нагрева поверх ностных слоев — до 100°С.

Механизм разрушения опре деляется взаимодействием рабочих Рис. 3.1. Износ схватыванием первого

ВИДЫ ИЗНОСА И ПОЛОМОК ДЕТАЛЕЙ

ющих предел текучести, сопровождается интенсивными пластическими деформациями, в результате которых разрушаются пленки окислов и вскрываются химически чистые металлические поверхности. Пластичес кие деформации способствуют максимальному сближению деталей и об разованию в поверхностных слоях текстур из предельно деформированных кристаллов, расположенных по направлению относительного смещения деталей. Если расстояния предельно малы и соизмеримы с размерами атом ных решеток, то между ориентированными кристаллами двух деталей по являются металлические связи. Дальнейшее смещение деталей приводит к упрочнению металла в местах образования связей. При предельных значе ниях твердости и хрупкости металлические связи разрываются.

Проявление. На контактной поверхности детали из менее прочного материала образуются хаотически расположенные вырывы, а на детали из более прочного материала — налипания. Налипшие частицы высокой твер дости способствуют развитию вторичных процессов местной пластичес кой деформации и микрорезанию поверхностей трения. Скорость изна шивания деталей 10…15 мкм/ч. Силы трения определяются геометричес кими характеристиками рабочих рельефов, площадью контактных поверх ностей и прочностью металлических связей. Коэффициент трения чрез вычайно высок — 4…6 единиц.

Разрывы металлических связей могут привести к увеличению площа ди фактических контактов и уменьшению давления на поверхность тре ния. Если давления станут ниже предела текучести, то интенсивность пла стических деформаций снизится, на деталях появятся устойчивые пленки окислов и износ схватыванием I рода перейдет в окислительный.

Окислительный износ развивается в условиях трения качения и тре ния скольжения со скоростями относительного движения деталей 1,5…7,0 м/с (без смазки). При граничной смазке интервал относитель ных скоростей увеличивается до 20 м/с.

Механизм разрушения поверхностей определяется взаимодействием материалов деталей с кислородом окружающей среды: насыщением ме таллов кислородом за счет химических реакций, проникновения кисло рода в поверхностные слои деталей и растворением кислорода в поверх ностных слоях. Тепловыделение при трении, способствующее диффузии из газовой или смазочной среды O2, S, P, Cl, вызывает образование твёр дых растворов и пленок окислов, защищающих исходные материалы со пряжённых деталей от интенсивного износа. Эти процессы характерны для узлов трения, детали которых изготовлены из материалов с высокой твердостью и повышенным пределом текучести. Изнашивание поверх ностей заключается в периодическом появлении и скалывании твердых и хрупких химических соединений (рис. 3.2), проявляющихся в виде окисных пленок.

Проявление. Внешний вид деталей, работающих в условиях окислитель ного износа, характеризуется появлением матовых полос, состоящих из пле нок оксидов, твердых растворов и химических соединений металла с кисло родом. Это наиболее благоприятный вид изнашивания. Скорость изнаши вания минимальна по сравнению с другими видами механического изно са — 0,1…0,5 мкм/ч. Коэффициент трения зависит от формы трущихся по верхностей и колеблется в пределах 0,3…0,7 при отсутствии смазывания.

Износ схватыванием второго рода. Условия образования: трение сколь жения, высокие давление и скорость относительного перемещения (свы ше 4 м/с), сочетание которых обусловливает большие потери на трение, высокий градиент и интенсивное возрастание температуры в поверхност ных слоях (до 1600°С).

Проявление. Различают три стадии износа схватыванием второго рода. Первая стадия соответствует для сталей интервалу температур до 600°С, мало снижающих механические свойства материалов. Внешний вид поверхности: вырывы частиц на детали из менее прочного материа ла, чередующиеся через примерно одинаковые промежутки. Вторая ста дия износа развивается в интервале температур 600…1400°С. Такая тем пература заметно снижает механические свойства сталей, и металл раз мягчается. Внешний вид поверхности: на контактной поверхности более прочной детали видны налипание и размазывание металла, а на поверх ности менее прочной детали — вырывы. Третьей стадии износа соответ ствуют температуры плавления. Расплавленные слои металла уносятся со

ВИДЫ ИЗНОСА И ПОЛОМОК ДЕТАЛЕЙ

смазкой, и на поверхности трения появляются оплавленные борозд ки (рис. 3.3). Скорость изнашива ния составляет 1…5 мкм/ч. Коэф фициент трения колеблется в пределах 0,1…0,5.

Осповидный износ возникает при трении качения, переменных или знакопеременных нагрузках и высоких давлениях, достигающих предела выносливости. Много кратные нагружения вызывают ус талость материала. На плоскостях максимальных напряжений внутри Рис. 3.3. Вид поверхности при износе детали зарождаются трещины схватыванием второго рода (рис. 3.4). Их развитие приводит к разрыву контактной поверхности, что принципиально изменяет ха рактер взаимодействия деталей.

Движение тел качения через раз рыв поверхности сопровождается динамическими явлениями, в ре зультате чего износ прогрессирует.

Проявление. В местах образо вания сколов на контактных поверх ностях появляются осповидные уг лубления. Наиболее характерный вид изнашивания для деталей под шипников качения (рис. 3.5).

Абразивный износ развивается Рис. 3.4. Схема возникновения при трении скольжения. Условия осповидного износа возникновения: наличие на поверх ностях трения абразивных частиц, деформирующих микрообъемы поверх ностных слоев и вызывающих процессы микрорезания.

Проявление. На поверхностях трения появляются однозначно ориен тированные по отношению к направлению движения риски различной глу бины и протяженности (рис. 3.6). Скорость изнашивания колеблется в пределах 0,5…5,0 мкм/ч и зависит от размеров, формы, количества, свойств абразива и материалов деталей, от относительной скорости и давлениях на контактирующих поверхностях.

Эрозионное изнашивание. Твердые частицы, движущиеся в потоке газа или жидкости, оказывают на поверхность металла многократные локаль Рис. 3.5. Вид осповидного износа на поверхности наружного кольца подшипника Рис. 3.6. Абразивный износ рабочей поверхности кольца подшипника

ВИДЫ ИЗНОСА И ПОЛОМОК ДЕТАЛЕЙ

ные импульсные удары, вызывающие расшатывание и вымывание поверх ностного слоя деталей — эрозию.

Электроэрозионное изнашивание — эрозионное изнашивание поверх ности в результате воздействия разрядов при прохождении электрическо го тока. При электрической эрозии контактов происходит частичный пе ренос металла с одного контакта на другой и распыление металла.

Кавитационное изнашивание — гидроэрозионное изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости (и наоборот), при кото ром пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, создавая тем са мым местное повышение давления.

3.2. Способы повышения надежности механического оборудования при механических видах износа Механический износ — неизбежное явление в процессе эксплуатации металлургического оборудования. В зависимости от качества деталей, ха рактера технологических нагрузок и окружающей среды изнашивание мо жет иметь различные скорости. Механические виды износа классифици руют на желательные (скорость изнашивания минимальная) и нежелатель ные (скорость изнашивания выше минимальной). К желательным видам относится окислительный износ, все остальные (износы схватыванием I и II рода, осповидный, абразивный) — нежелательны [11].

Изучение причин выхода из строя деталей металлургического обору дования показывает, что в тонких поверхностных слоях развивается не один, а несколько различных процессов изнашивания, которые протека ют с разными скоростями Vi. Один из процессов доминирует над другими, определяя скорость изнашивания деталей. Это позволяет сформулировать первое положение теории износа: вид износа детали определяется процес сом, протекающим с максимальной скоростью.

Процесс, протекающий в поверхностных слоях деталей с максималь ной скоростью, называется ведущим.

Устойчивое существование ведущего вида износа возможно в том слу чае, когда скорость изнашивания деталей VИ меньше скорости ведущего износа VВ. Для обеспечения высокой надежности металлургического обо рудования необходимо, чтобы ведущим видом механического износа в уз