Изнашивание деталей и способы их восстановления

/ Литература / Тепловозы: Механическое оборудование: Устройство и ремонт / Изнашивание деталей и способы их восстановления

Тепловоз - сложная машина с множеством взаимно перемещающихся и трущихся деталей, которые в процессе эксплуатации изнашиваются. При этом меняются рабочие характеристики, появляются ненормальные стуки, вибрации, нагрев, снижаютсямощность и к. п. д., увеличивается опасность аварии или крушения.

Из всех видов повреждений, пожалуй, наиболее распространено изнашивание. В зависимости от условий работы, среды, специфики контакта взаимно трущихся деталей различают следующие виды изнашивания: абразивное (механическое), окислительное, коррозионное, молекулярно-меха-ническое, контактно-усталостное. Особыми видами изнашивания являются кавитационное и фретинг-коррозия.

Наиболее распространенный вид изнашивания, характеризующийся высокой скоростью износа сопряженных поверхностей, - абразивный; этому виду износа подвержены такие детали тепловоза, как наличники букс и челюстей рамы тележки, втулки и валики рессорного подвешивания и тормозной рычажной передачи, опорные поверхности рессорных балансиров, носиков тяговых электродвигателей, накладок пружинных подвесок и каблучков рамы тележки, а также детали цилиндропоршиевой группы дизеля и компрессора, детали авто-ецепки (при большой запыленности воздуха) н др.

Окислительное изнашивание при наличии между трущимися частями масла или другой жидкости вызывает образование на поверхностях окисной пленки, которая в процессе работы разрушается.

Скорость изнашивания при этом самая минимальная из всех видов износа Окислительное изнашивание может возникнуть в трущихся парах и при условии достаточности смазки и отсутствия абразивных частиц.

Коррозионное изнашивание характеризуется быстрым образованием окисных пленок на трущихся поверхностях вследствие попадания иа иих кислот и последующим разрушением этих пленок.

Чаще всего коррозионный износ возможен на поверхностях втулок и поршней дизелей при выделении кислот из газов. Под влиянием теплового и химического воздействия с течением времени на посадочных поясках клапанов и их седел также образуются коррозионные раковины.

Молекулярно-механичсское изнашивание происходит за счет микроконтактного схватывания поверхностей трущихся деталей при нарушении сплошности масляной пленки. Этому износу подвержены детали, работающие в условиях полужидкостного трения.

Контактно-усталостное изнашивание во!-иикает при трении качения или многократныч соударениях. Этот вид износа иногда называют чешуйчатым или «питингом». Оно характерно для бандажей колесных пар, зубьевзубча-тых колес, шариковых и роликовых подшипников, мест контакта втулок с блоком цилиндра при вибрации втулок и т. д. Скорость контактного износа зависит от величины контактных напряжений.

Кавитационное изнашивание обусловлено явлением образования и разрушения парогазовых пузырьков в движущейся жидкости. При разрушении пузырьков происходят микрогидравлические удары, приводящие к большим напряжениям.

Кавитациоиным повреждением с образованием сквозных свищей подвержены втулки (рубашки) цилиндров дизелей.

Фретинг-коррозия, или коррозия при трении, образуется в сопряжениях с микроскопическими вибрационными перемещениями. Фре-гииг-коррозия наиболее часто наблюдается в краевых зонах подступичных частей осей колесных пар, буксах, вкладышах коленчатых валов, в сопряжениях блока дизеля с втулками цилиндров.

В чистом виде какой-либо один из перечисленных видов износа, как правило, встречается редко. Обычно имеет место комбинация нескольких видов износа. Так, например, пара трения вкладыш моторно-осевого подшипника - ось колесной пары может иметь одновременно абразивный, окислительный и молекулярно-меха-нический износ при преобладании одного из них в зависимости от конкретных условий трения.

Интенсивность износа трущихся пар зависит от многих факторов. Решающий из них - качество материала и обработка рабочих поверхностей. Однако применение качественных материалов (легированных сталей, дорогостоящих цветных металлов и др.), юстижение высокого класса шерохо ватости, внедрение длительных технологических процессов поверхностного упрочнения в каждом конкретном случае должно быть оправдано экономически.

Детали, выход из строя которых влечет за собой серьезные аварии, длительный простой, большие затраты на замену и т. д., изготавливаются из легированных высокопрочных сталей.

К повышенному износу сопряженных деталей приводит недооценка такого фактора, как перекос их в процессе работы. Перекос осей совместно работающих деталей вследствие изгиба валов, зазоров в подшипниках создает условия для роста удельных нагрузок на небольшом участке рабочей поверхности деталей, что влечет за собой усиленный износ их в этом месте. Имеется также много других факторов, усугубляющих износ трущихся деталей, таких, как нарушение режима смазывания, ухудшение качества самой смазки вследствие перегрева и разжижения, чрезмерные нагрузки, климатические особые условия и т. д.

Приведем несколько примеров влияния перечисленных факторов на износ деталей тепловоза. Известно, что зубчатая передача на моторно-осевые подшипники тепловозов с опорно-осевым подвешиванием двигателя работают с перекосом, обусловленным консольной передачей тягового момента. Практика показывает, что зубья зубчатого колеса и шестерни у этих тепловозов изнашиваются неравномерно по длине. Разность толщин зубьев по обеим их концам составляет от 0,5 до 1,2 мм, причем больший износ наблюдается со стороны тягового электродвигателя. Это результат больших удельных нагрузок, создаваемых при перекосе осей зубчатого колеса и шестерни (см. рис. 209). Кроме того, интенсивность износа зубьев в значительной мере зависит от твердости их рабочих поверхностей'. Установлено, что прямозубые зубчатые колеса без поверхностной термической обработки зубьев выходят из строя поизносу в 3-4 раза быстрее, чем термически обработанные.

Моторно-осевые подшипники работают в еще более сложных условиях, чем зубчатая передача. Перекос подшипников, обусловленный поворотом остова двигателя в зазорах между ними и осью, приводит к местному повышению удельных нагрузок и ухудшению условий смазывания в контакте. Это вызывает нагрев подшипников и задиры шеек оси. Кроме того, повышение удельных нагрузок ведет к интенсивному износу подшипников, а это в свою очередь увеличивает радиальный зазор и, следовательно, перекос, что еще больше усугубляет тяжелые условия работы Подшипников. В этих условиях особое значение приобретает надежность подачи масла к подшипникам. К сожалению, в эксплуатации нередки случаи работы подшипников без смазки, особенно в зимних условиях, когда попавшая в масляные ванны вода смерзается с фитилем или подбивкой из пряжи, препятствуя подаче масла к трущимся поверхностям.

Контактно-усталостному износу подвержены роликовые подшипники букс, тяговых электродвигателей. Из-за неравномерного распределения нагрузок между роликами, а также по их длине контактные напряжения в роликовых подшипниках достигают 200-300 кН-см2. Высокие повторно-переменные контактные напряжения обусловливают появление на поверхностях качения роликов и дорожек усталостных микротрещин с последующим расклиниванием их попавшей туда смазкой. В связи с этим наиболее характерным повреждением является усталостное выкрашивание металла у кромок роликов и на поверхности внутреннего кольца в наиболее нагруженной зоне.

Примером сложного вида износа может служить изнашивание бандажей колесных пар. Бандажи - это наиболее часто сменяемая деталь, так как поверхность бандажа по кругу катания, непосредственно соприкасающаяся с рельсом, подвержена значительному изнашиванию. Между бан дажом и рельсом возникают контактные напряжения, зависящие от геометрии контактирующих поверхностей, механических свойств бандажа и рельса и нагрузки, передаваемой от колеса на рельс. Напряжения от статической и динамической нагрузок могут превышать предел текучести материала, о чем свидетельствуют пластические деформации бандажа и рельса. Изнашивание бандажа концентрируется в зоне контакта с рельсом и у гребня. Изнашивание гребня происходит главным образом в кривых участках пути. Пробеги локомотивов между обточками бандажей составляют 200- 250 тыс. км, а в отдельных случаях (например, в условиях Северной дороги) - 85-100 тыс. км.

Механизм изнашивания обусловлен характером работы бандажей. В данном случае имеет место износ при трении качения со значительной долей трения скольжения, возникающего при боксовании колесных пар и за счет неизбежного проскальзывания колес как на кривых, так и прямых участках пути. Работа трения протекает при высоких контактных напряжениях, вызывающих пластические деформации и повышение температуры в зоне контакта. Значительное влияние на изнашивание бандажей оказывает также режим торможения. Длительное прижатие с большим усилием тормозных колодок может привести к появлению на поверхности бандажей закалочных микротрещин, переходящих в последующем в раковины.

Климатические и другие специфические условия нередко оказываются решающими факторами долговечности бандажей. Так, например, на участках угольных маршрутов в условиях повышенной влажности и низкой температуры окружающего воздуха угольная пыль, оседая на рельсы, образует своеобразную пленку, ухудшающую сцепление. На этих участках частота боксования колесных пар оказывается настолько высокой, что приводит к волнообразному износу рельсов и, естественно, к повышенному износу бандажей и других элементовколесно-моторного блока. Подаваемый на рельсы песок в данном случае только усугубляет этот износ.

Применение некачественного песка (с большим содержанием глинистых веществ) также может ухудшить условия сцепления колес с рельсами (особенно при низких температурах - ниже -25-30 °С), что опять же приводит к боксованию колесных пар и изнашиванию их бандажей.

Интенсивному абразивному изнашиванию подвержены такие детали челюстных тележек, как наличники букс и челюстей рамы, шарниры рессорного подвешивания и рычажной передачи и др. Трущиеся пары этих соединений не защищены от попадания пыли и песка, поэтому подвод смазки к поверхностям трения в данном случае не всегда оправдан. Пыль и песок, попадающие на смазанные поверхности (особенно в районах Средней Азии), задерживаются на этих поверхностях и вместе с продуктами износа образуют своеобразный абразивный материал, интенсивно истирающий детали соединения.

Допустимая норма износа сопряженных деталей устанавливается исходя из технико-экономических соображений. Срок службы (ресурс) детали до предельного значения износа можно определить по средней скорости износа. Для этого через определенные промежутки времени или через определенный пробег замеряют нзнос детали и строят диаграмму изнашивания в зависимости от времени и пробега. Классический вид диаграммы изнашивания представлен на рис. 228. Она имеет три характерных участка: а - приработочного износа, б - установившегося износа, в - аварийного износа.

Например, если рассматривать эту диаграмму применительно к бандажам колесных пар, можно заметить, что в первоначальный период (при новых бандажах или после обточки) прокат бандажей нарастает интенсивно (участок а). Здесь сказываются более высокие контактные напряжения из-за уменьшенной площади контакта нового бандажа с рельсом, а Рис. 228. Характер нарастания изнашивания поверхностей трущихся пар в зависимости от наработкитакже отсутствия «наклепанного» слоя металла бандажа. В процессе эксплуатации вследствие износа профиль бандажа по кругу катания приобретает форму, близкую к профилю головки рельса, при которой площадь контакта увеличивается, а удельная нагрузка уменьшается. Уменьшение удельной нагрузки, а также появление на поверхности бандажа «наклепа» снижает интенсивность износа (участок б).

67. Изнашивание деталей и способы их восстановления

По достижении определенного проката, когда условия контакта бандажа с рельсом ухудшаются, начинается более интенсивное нарастание изнашивания (участок в).

Следует заметить, что а отдельных случаях, в частности в данном, можно увеличить срок службы детали за счет исключения приработочного износа. Например, обточку бандажей производят с оставлением черновины по кругу катания, сохраняя наклепанный слой металла бандажа.

Интенсивность нарастания износа в зависимости от пробега для таких узлов, как моторно-осевые подшипники, шарнирные соединения рессорного подвешивания и тормозной рычажной передачи, зубчатая передача и др., также подчиняется общей закономерности износа.

Восстановление деталей. Для восстановления изношенных деталей существует много методов. В тепловозо-ремонтном производстве наибольшее распространение получили электродуговая или газовая наплавки, металлизация, электроискровая обработка, обработка давлением, электролитиче скОе покрытие, а также нанесение на поверхность пленок из полимерных материалов. В отдельных случаях используют метод ремонтных втулок, когда сильно изношенную поверхность валика, шипа или отверстия какой-либо детали обтачивают или растачивают и ставят с натягом втулки, обрабатывая затем их под номинальный размер.

Для восстановления значительного износа деталей используются различные виды электродуговой наплавки: ручная, автоматическая и полуавтоматическая, под слоем флюса, в среде защитных газов, вибродуговая и т. д.

Ручная наплавка малопроизводительна, не дает стабильного качества слоя. Возникающие при наплавке большие термические напряжения деформируют (коробят) деталь. Поэтому там, где возможно, процесс наплавки автоматизируют. При полуавтоматической наплавке автоматизирована только подача электродной проволоки в зону дуги, при автоматической - подача электрода, а также продвижение дуги вдоль накладываемого шва. В результате повышается производительность труда и улучшается качество шва.

Наплавка в среде защитного газа может производиться вручную, автоматически и полуавтоматически. В зону дуги подается защитный газ (аргон или углекислый газ), струя которого, обтекая дугу и сварочную ванну, предохраняет расплавленный металл от окислительного воздействия воздуха. В качестве электродов применяют специальные сорта проволоки с повышенным содержанием марганца и кремния.

Вибродуговая наплавка является разновидностью автоматической и отличается от нее тем, что электрод во время наплавки постоянно вибрирует. Вибрация электрода облегчает зажигание дуги и делает процесс наплавки более устойчивым. В процессе наплавки деталь нагревается незначительно, поэтому деформации ее малы и, следовательно, не нарушается термическая обработка на участках детали вблизи места наплавки. После наплавки не требуется термическая обработка детали, так как в процессе наплавки под действием охлаждающей жидкости происходит закалка наплавленного слоя. Толщину слоя наплавки можно регулировать в пределах от 0,5 до 2 мм на сторону. Для повышения износостойкости наплавленного слоя используют легирующие флюсы Основное преимущество вибродуговой наплавки заключается в возможности надежного наплавления тонких слоев на изношенные места. При значительных износах лучше использовать обычные способы наплавки.

Металлизация дает возможность нанесения слоя металла толщиной от 0,03 до 1,5 мм на любой материал без опасности его перегрева

(температура нагрева детали не более 70°С). Процесс металлизации заключается в нанесении воздушной струей иа обработанную поверхность мельчайших частиц расплавленной в газовом пламени проволоки. Получается довольно пористое покрытие, иа котором хорошо удерживается смазка и, следовательно, повышается износостойкость. Прочность покрытия с основным металлом невысокая.

Электроискровая (электроэррозионная) обработка осуществляется вибрирующим электродом (анодом), с которого частицы во время электрического разряда в виде короткого мощного импульса переносятся на обрабатываемую деталь (катод) и привариваются к чей. Толщина покрытия в зависимости от тока импульса получается от 0,05 до 0,5 мм. Чем меньше ток, тем чище поверхность покрытия. Способ эффективен для восстановления натягов в прессовых и шпоночных соединениях. Можно использовать для легирования поверхности трення, чтобы затормозить процесс изнашивания.

Восстановление деталей давлением (раздача, осадка, обжатие) основано иа использовании пластических свойств металла. Методом раздачи восстанавливают, например, поршневые пальцы дизелей, а осадкой и обжатием - размеры втулок по наружному и внутреннему диаметрам.

Электролитические покрытия делятся на твердые и мягкие. К твердым относятся хромовые, никелевые, стальные, к мягким - покрытие цинком, медью, оловом, латунью и др. Процесс электролитического покрытия основан на электролизе, т. е. способности металла осаждаться на катоде при прохождении постоянного тока через электролиты. Различают гладкие покрытия и пористые. Гладкие применяют для неподвижных посадок, пористые - для подвижных.

Хромирование и никелирование дает толщину покрытия 0,1-0,3 мм, достаточно твердого и износостойкого. Применяется для восстановления цилиндровых втулок, поршневых колец и др. Осталивание дает возможность получения довольно твердого слоя без термообработки. Толщина наращиваемого слоя 2,5- 4 мм и более. Цинкование применяется для восстановления изношенных посадочных мест подшипников качения при толщине покрытия до 0,5 мм, а также для защитного покрытия крепежных деталей и частей электроаппаратуры. Методом гальванического лужения восстанавливают оловянистое покрытие поршней дизелей 2Д100-1 ОД 100.

Полимерные покрытия широко используются для создания натяга или повышения износостойкости сопряжений. Применяемые в ремонте пластмассы делятся на термореактивные (не плавятся и не растворяются) и термопластические (плавятся). В композициях на основе различных смол они используются для восстановления деталей.

При ремонте применяются также различные клеевые составы БФ2, БФ4. БФ6, представляющие спиртовые растворы термореактивных смол. Наиболее распространен в практике ремонта клей (эластомер) ГЭН-150В -- продукт композиции эпоксидной смолы ВДУ снитрильным каучуком СКН-40. Ои применяется для восстановления натягов при посадке подшипников, муфт, шестерен, корпусов в местах установки подшипников, ступиц колесных центров и т. д. Клей защищает сопрягаемые поверхности от коррозии.

⇐ | Система организации технического обслуживания и ремонта | | Тепловозы: Механическое оборудование: Устройство и ремонт | | Методы и средства повышения надежности и долговечности деталей тепловозов | ⇒