7. Виды износа и поломок деталей

материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович

7.1. Виды механического износа

Механический износ — процесс постепенного разрушения поверхностей деталей при относительном движении.

Основная функция визуального осмотра трущихся поверхностей — определение вида изнашивания и постановка диагноза, позволяющая принять рациональные ремонтные воздействия, снижающие скорость износа. [1]

Основные виды механического износа приведены в таблице 7.1 [2].

Таблица 7.1 — Основные виды механического износа

Условия возникновения	Механизм разрушения	Проявление
Износ схватыванием первого рода
трение скольжения; малая скорость относительного движения (для стальных деталей — до 1 м/с); высокое давление, превышающее предел текучести на фактических площадках контактов; отсутствие смазки или защитной плёнки окислов между трущимися деталями; низкая температура нагрева поверхностных слоёв (до 100 °С).	Характеризуется возникновением адгезионных связей между деталями с последующим их разрушением.	На контактной поверхности детали из менее прочного материала образуются хаотически расположенные вырывы, а на детали из более прочного материала — налипания.
Износ схватыванием второго рода
трение скольжения; высокая скорость относительного перемещения (свыше 4 м/с); высокое давление, превышающее предел текучести на фактических площадках контактов; высокая температура в поверхностных слоях (до 1600 °С).	Первая стадия (температура до 600 °С, механические свойства материалов снижаются мало).	Вырывы частиц на детали из менее прочного материала, чередующиеся через примерно одинаковые промежутки.
	Вторая стадия (температура 600-1400 °С, размягчение металла, заметное снижение механических свойств материалов).	На контактной поверхности более прочной детали видны налипание и размазыванием металла, а на поверхности менее прочной — вырывы.
	Третья стадия (температура свыше 1400 °С, расплавленные слои металла уносятся со смазкой).	Оплавленные борозды.
Окислительный износ
трение качения или трение скольжения; скорость относительного движения деталей 1,5-7,0 м/с (без смазки) и до 20 м/с (со смазкой).	Определяется взаимодействием материала деталей с кислородом окружающей среды с образованием твёрдых растворов и плёнок окислов, защищающих исходные материалы от интенсивного износа. Изнашивание поверхностей заключается в периодическом появлении и скалывании твёрдых и хрупких окисных плёнок. Минимальная скорость изнашивания.	Матовые полосы, состоящие из плёнок оксидов, твёрдых растворов и химических соединений металла с кислородом.
Осповидный износ
трение качения; переменные или знакопеременные нагрузки; высокие давления, достигающие предела выносливости.	Многократные нагружения вызывают усталость металла. На плоскостях максимальных напряжений внутри детали зарождаются трещины. Их развитие приводит к разрыву контактной поверхности. Движение тел качения через разрыв поверхности сопровождается динамическими явлениями, в результате чего износ прогрессирует.	В местах образования сколов на контактных поверхностях появляются осповидные углубления. Наиболее характерный вид изнашивания деталей подшипников качения.
Абразивный износ
трение скольжения; наличие на поверхностях трения абразивных частиц.	Абразивные частицы деформируют микрообъёмы поверхностных слоёв и вызывают процессы микрорезания.	Однозначно ориентированные по отношению к направлению движения риски различной глубины и протяжённости.

К эрозионным видам износа относят [1]:

• эрозионное изнашивание — твёрдые частицы, движущиеся в потоке газа или жидкости, оказывают на поверхность металла многократные локальные импульсные удары, вызывающие расшатывание и вымывание поверхностного слоя деталей (эрозию);
• электроэрозионное изнашивание — эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия электрического тока, при этом происходит частичный перенос металла с одного контакта на другой и распыление металла;
• кавитационное изнашивание — гидроэрозионное изнашивание при движении твёрдого тела относительно жидкости и наоборот, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, создавая местное повышение давления.

К дополнительным видам износа относят (таблица 7.2) [3].

Таблица 7.2 — Дополнительные виды износа

Условия возникновения	Проявление	Фото
Износ при прохождении электрического тока
прохождение электрического тока через узел.	Пятна в местах контакта деталей.
Коррозионный износ
конденсация влаги в узле; отсутствие смазочного материала.	Начинается с поверхности. Бывает сплошной (покрывает ровным слоем и изменяет шероховатость поверхности деталей, не образуя отдельных очагов) и местный (наблюдается в виде пятен, глубина которых изменяется от незначительного точечного углубления до язвин).

7.2. Виды разрушений и изломов

Излом — разрушение детали, вызванное низким качеством материала, дефектами изготовления, нарушением правил эксплуатации, случайными механическими повреждениями и другими факторами. [1]

Вид излома позволяет определить причины его возникновения (таблица 7.3).

Таблица 7.3 — Основные виды изломов

Внешний вид	Характер развития	Причина возникновения
Вязкое разрушение
Имеет волокнистое строение, без кристаллического блеска (неровные участки рассеивают свет — поверхность излома кажется матовой). Характерным признаком является наличие боковых скосов по краю излома.	Сопровождается интенсивной пластической деформацией материала детали. Первичные изломы редко бывают вязкими. Относительно медленно развивающаяся вязкая трещина либо заблаговременно обнаруживается, либо из-за чрезмерной пластической деформации деталь ещё до разрушения перестаёт выполнять свои функции.	Воздействие значительных кратковременных сил, возникающих при заклинивании механизма или нарушении технологического режима. Может иметь место при длительном действии сил, вызывающих напряжения, превышающие предел текучести материала детали.
Хрупкое разрушение
Имеет ярко выраженное кристаллическое строение у недеформируемых материалов и гладкое от сдвига у мягких материалов. Кромки изломов гладкие, ровные, без скосов или с небольшими скосами. Скос на хрупком изломе указывает место долома (окончания разрушения).	В большинстве случаев начинают развиваться в зонах концентрации напряжений (в местах приварки элементов жёсткости, пересечения сварных швов, у отверстий и галтелей, в зонах резкого изменения толщины). Очагами часто являются дефекты сварки (горячие и холодные трещины, непровары, подрезы, шлаковые включения, поры, расслоения металла).	Происходит внезапно при однократном приложении силы или под действием повторных ударных сил при малой степени местной пластической деформации.
Усталостное разрушение
Чётко выделены: зона усталостного разрушения, имеющая мелкозернистое строение, с фарфоровидной или шлифованной поверхностью; зона статического разрушения — с волокнистым строением у пластичных металлов и крупнозернистым у хрупких.	Возникают в процессе постепенного накопления повреждений в материале деталей, находящихся под действием переменных напряжений, которые приводят к образованию микротрещин, их развитию и окончательному разрушению детали.	Является одним из основных видов повреждения от действия циклических нагрузок.

Правила при очистке и осмотре излома [1]:

• не удалять с поверхности излома неплотно прилегающие фрагменты;
• не пытаться сложить вместе части разрушенной детали;
• не протирать излом ветошью и щётками;
• очистка излома проводится обдувкой сжатым воздухом с последующим погружением в керосин.

Особенности дефектов закалки приведены в таблице 7.4. [1]

Таблица 7.4 — Дефекты закалки

Проявление	Причина
Закалённый слой мелкозернистый, равномерный.	Температурный режим выдержан.
Поверхность излома волокнистая, напильник оставляет заметный след на детали.	Изделие не было нагрето до необходимой температуры.
Поверхность излома неравномерная по зернистости.	Изделие было нагрето до более высокой температуры, чем требовалось.
Излом крупнозернистый, с сильным белым блеском.	Изделие было нагрето до чрезмерно высокой температуры и находилось при этой температуре продолжительное время.
Излом неоднородный, местами незакалённые и хорошо закалённые зёрна, на рёбрах и тонких частях наблюдаются пережжённые зёрна.	Изделие было нагрето слишком быстро и неравномерно.

7.3. Повреждения подшипников качения

Следы радиальной силы, приложенной в одной точке, постоянной по направлению, при вращающемся внутреннем и неподвижном наружном кольце проявляются в виде непрерывного следа на внутреннем кольце и местном изнашивании наружного кольца (рисунок 7.1). [3]

Рисунок 7.1 — Следы радиальной силы, постоянной по направлению:
а) непрерывный след износа на внутреннем кольце;	б) местное изнашивание наружного кольца

Если неподвижным является внутреннее кольцо, а подвижным наружное, тогда воздействие постоянной радиальной силы проявится в виде непрерывного следа износа на наружном кольце и местном изнашивании внутреннего кольца.

При деформации наружного кольца подшипника в результате отклонений формы посадочного места на наружном неподвижном кольце появится осповидное выкрашивание в двух точках (рисунок 7.2).

Радиальная сила, приложенная в одной точке, совершающая периодическое колебательное движение в ограниченном секторе приводит к местному изнашиванию наружного и внутреннего колец подшипника (рисунок 7.3). Такой вид изнашивания характерен для шарнирных механизмов, в которых вал совершает колебательные движения.

Радиальная сила, вращающаяся вместе с валом, приведёт к появлению постоянного следа износа на неподвижном наружном кольце и местного выкрашивания на внутреннем кольце (рисунок 7.4).

Осевая сила, действующая в продольном направлении, вызывает смещение следов износа на кольцах подшипника (рисунок 7.4). Дополнительно, о воздействии осевой силы можно судить по наличию засветлений на торцах роликов (рисунок 7.5).

В подшипниковом узле имеются как неподвижные, так и подвижные контактирующие поверхности деталей. Осмотр подшипника качения проводится последовательно от посадочной поверхности подшипника в корпусе механизма к посадочной поверхности внутреннего кольца на вал.

Если поверхности внутреннего кольца и вала неподвижны, то внутреннее кольцо подшипника имеет матовую поверхность (рисунок 7.6).

Ослабление посадки подшипника в результате ошибок монтажа, эксплуатации часто приводит к проворачиванию подшипника на валу и в корпусе (рисунок 7.7). Проворот подшипника сопровождается увеличением температуры узла, изменением характера шума и вибрации и приводит к недопустимому износу корпусных деталей.

Фреттинг-коррозия возникает при перемещении контактирующих поверхностей под воздействием переменных сил или вибраций. Проявляется в виде интенсивного окисления поверхностей, тёмных пятен на посадочных поверхностях колец подшипников (рисунок 7.8). Приводит к стуку, ударам при работе подшипника. При дальнейшем развитии может служить причиной зарождения усталостных трещин.

Рисунок 7.8 — Следы фреттинг-коррозии на посадочной поверхности колец шарикоподшипника:
а) внутреннего;	б) наружного

Если нагрузка неравномерно распределяется по длине ролика или между рядами тел качения двухрядного подшипника (рисунок 7.9), то долговечность подшипника значительно снижается. Причина — перекос корпуса подшипника.

Рисунок 7.9 — Неравномерное выкрашивание при изгибе вала:
а) по длине роликов радиального роликоподшипника;	б) по беговым дорожкам двухрядного радиального сферического шарикоподшипника

Осмотр внешних торцевых поверхностей колец подшипника позволяет подтвердить проворачивание колец или определить наличие контакта подшипника с рядом расположенной деталью (рисунок 7.10).

Осмотр беговых дорожек внешнего и внутреннего колец позволяет установить характер контакта тел качения и беговой дорожки. Перекос вала относительно корпуса подшипника может быть зафиксирован по треугольному следу при колебательном характере нагружения подшипника (рисунок 7.11).

Трещины поперек беговых дорожек — результат воздействия динамических нагрузок, ударов или ошибок монтажа (рисунок 7.12а). Сколы бортов колец — результат динамических воздействий осевой силы (рисунок 7.12б).

Рисунок 7.12 — Результаты воздействия ударной нагрузки:
а) поперечная трещина на кольце подшипника;	б) сколы бортов кольца

Трещины, расположенные вдоль кольца подшипника, — результат отсутствия тепловых зазоров при нагреве механизма. Возникающая при тепловом расширении осевая сила приводит к исчезновению радиального зазора и возникновению значительных радиальных сил, способных привести к разрушению наружного кольца (рисунок 7.13).

Увеличенная осевая игра пары радиально-упорных шариковых подшипников приводит при возникновении продольной силы к появлению гранности или к осповидному выкрашиванию на нерабочей части беговой дорожки (рисунок 7.14).

Рисунок 7.14 — Нерабочая часть беговой дорожки радиально-упорного шарикового подшипника при увеличенной осевой игре и продольном нагружении:
а) гранность;	б) осповидное выкрашивание

Бринеллирование проявляется в появлении вмятин на беговых дорожках с шагом, равным шагу тел качения. Оно является следствием ударных воздействий во время монтажа (рисунок 7.15).

Ложное бринеллирование возникает при оттоке смазки с поверхностей качения подшипников неработающей машины в результате механических колебаний, передающихся от работающих механизмов. Проявляется в виде повреждений рабочей поверхности подшипника, расположенных с шагом равным шагу тел качения (рисунок 7.16).

Повреждения сепаратора — наиболее серьёзный вид повреждений. При повреждениях сепаратора возможны повреждения других деталей вследствие вибрации, износа, заклинивания и перекосов (рисунок 7.17). Наиболее распространённая причина разрушения сепаратора — проблемы смазывания и деформации наружных колец. Это приводит к возникновению неравномерных сил по телам качения и воздействию разрушающих сил на сепаратор.

Рисунок 7.17 — Разрушение сепаратора

Подшипники качения подлежат замене при наличии одного из следующих повреждений [4]:

• усталостные или коррозионные раковины на дорожках и телах качения;
• трещины, сколы бортов, колец, тел качения;
• трещины, излом сепаратора;
• износ, обрыв заклёпок сепаратора;
• забоины на сепараторе;
• задиры, рифление, выработка или вмятины на рабочих поверхностях колец и тел качения;
• поверхностная коррозия или цвета побежалости на рабочих поверхностях;
• увеличение радиального зазора.

7.4. Повреждения зубчатых передач

На работоспособность зубчатого зацепления влияют такие внешние факторы:

1. Значение прилагаемой силовой нагрузки определяет следующий характер повреждений на рабочей поверхности:
   • номинальная нагрузка не приводит к изменению формы зуба и не оставляет следов деформации на рабочей поверхности зубчатой передачи (рисунок 7.18);
     

     Рисунок 7.18 — Отсутствие деформаций — признак воздействия номинальной нагрузки:
     а) рабочая поверхность зубьев;	б) торцевая поверхность зубьев

   • переменные или знакопеременные силы, приводят к появлению на площадках контакта напряжений, превышающих предел выносливости материала, оставляют на рабочей поверхности осповидные углубления, вызываемые усталостью материала (рисунок 7.19);
     

     Рисунок 7.19 — Превышение предела выносливости материала приводит к осповидному выкрашиванию рабочей поверхности:
     а) начальная стадия;	б) дальнейшее развитие;	в) предельное состояние

   • пластические сдвиги на рабочей поверхности зубьев происходят при превышении напряжений, действующих на площадках контактов, предела текучести, поверхностный слой металла перемещается от делительного диаметра к вершине зуба, образуя выступ (рисунок 7.20);
     

     Рисунок 7.20 — Пластические сдвиги на рабочей поверхности зубчатой передачи — напряжения на площадках контактов превысили предел текучести:
     а) начальная стадия;	б) дальнейшее развитие

   Промежуточными проявлениями действующих сил являются: отслаивание частиц металла с рабочей поверхности зубьев, наклёп из-за сильных ударов при наличии зазора в зацеплении.

2. Характер прилагаемой силовой нагрузки связан с постоянством или непостоянством частоты вращения, изменением направления вращения, значением динамической составляющей. Динамические удары часто приводят к изломам зубьев (рисунок 7.21). При увеличении частоты вращения увеличиваются требования к точности изготовления и установки зубчатых передач, в противном случае — увеличивается износ зубьев. В нереверсивных передачах в обязательном порядке следует осматривать обратную (нерабочую) поверхность зуба. На ней могут проявляться ошибки изготовления или монтажа. Например, из-за малого бокового зазора на обратной поверхности зуба могут появиться следы контакта (рисунок 7.22).
   

   Рисунок 7.21 — Излом зубьев из-за воздействия динамических ударов

   

   Рисунок 7.22 — Пятно контакта на нерабочей поверхности зуба колеса

3. Наличие абразивных частиц или веществ, вызывающих коррозию, приводит к абразивному износу, коррозии поверхности зубьев, способствует возникновению газовой или жидкостной эрозии. Основная причина коррозии — наличие воды в смазочном материале — проявляется в виде равномерного (рисунок 7.23а) или неравномерного слоя (рисунок 7.23б) ржавчины на поверхности зубьев.
   

   Рисунок 7.23 — Следы коррозии на поверхности зубьев:
   а) равномерный слой;	б) неравномерный слой

   Первоначальное проявление абразивного износа — появление царапин или рисок на рабочей поверхности в направлении движения абразивного материала (рисунок 7.24). Развитию абразивного износа способствует использование загрязнённой или пластичной смазки, являющейся аккумулятором абразивных частиц. У изношенных передач повышаются зазоры в зацеплении; усиливаются шум, вибрация и динамические перегрузки; искажается форма зуба; уменьшаются размеры поперечного сечения и прочность зуба (рисунок 7.25).

   

   Рисунок 7.24 — Начальная стадия абразивного износа колеса шестерённого насоса — появление рисок на рабочей поверхности зубьев

   

   Рисунок 7.25 — Предельная стадия абразивного износа кремальерной шестерни

На работоспособность зубчатого зацепления влияют такие внутренние факторы:

1. Неподвижность посадочных поверхностей зубчатого колеса и вала удовлетворяет требованиям в том случае, если сопрягаемые детали неподвижны при приложении нагрузки (рисунок 7.26а). Появление малых перемещений сопрягаемых деталей приводит к фреттинг-коррозии, проявляющейся в виде тёмных пятен на посадочной поверхности (рисунок 7.26б).
   

   Рисунок 7.26 — Состояние посадочных поверхностей зубчатого колеса и вала:
   а) неподвижная посадка;	б) малые перемещения сопрягаемых деталей

   В дальнейшем появляются следы взаимного перемещения сопрягаемых поверхностей в виде блестящих полированных участков поверхности. Это увеличивает скорость развития процессов износа, создавая предпосылки для возникновения ударов на последней стадии развития повреждения. При раскрытии стыка сопрягаемых деталей жёсткость соединения уменьшается, возникают динамические удары, приводящие к наклёпу и разрушению.

2. Характер взаимодействия контактирующих поверхностей определяется видом трения на контактирующих поверхностях. Если преобладает жидкостное трение, обеспечивающее минимальный коэффициент трения, и происходит полное разделение контактирующих поверхностей слоем масла, то состояние оценивают как хорошее. В этом случае преобладающим является окислительный износ (рисунок 7.27). Возникновение граничного трения приводит к контакту деталей, проявляясь в полировании рабочей поверхности зубчатых передач (рисунок 7.28). Часто граничное трение проявляется на начальной стадии приработки новых зубчатых колес.
   

   Рисунок 7.27 — Окислительный износ поверхности зубчатой передачи при жидкостном трении

   

   Рисунок 7.28 — Полированная поверхность зуба — признак граничного трения

   Отсутствие смазки между контактирующими поверхностями приводит к повышению температуры, разрушению поверхностных твёрдых плёнок окислов и возникновению адгезионных связей между контактирующими поверхностями. Для тяжелонагруженных высокоскоростных зубчатых передач наиболее характерное проявление — вырывы металла на вершинах зубьев (рисунок 7.29). Для их предотвращения рекомендуют обеспечить постоянное смазывание контактирующих поверхностей, в том числе, путём правильного выбора смазочного материала. Такие повреждения нарушают характер зацепления зубьев, увеличивают скорость износа и создают концентраторы напряжений на поверхности зубьев, способствующие развитию усталостных трещин и сколов.

   

   Рисунок 7.29 — Вырывы металла на вершинах зубьев — схватывание поверхности при отсутствии разделительной масляной плёнки

3. Взаимное расположение деталей оценивают по пятну контакта, характеристики которого обычно приведены в ПТЭ, учебниках и пособиях. Правильное, равномерное по высоте и длине зуба расположение пятна контакта показано на рисунке 7.30. Непараллельное расположение осей зацепления при уменьшенном расстоянии между осями зубчатых колёс происходит из-за износа посадочных мест подшипников валов зубчатых передач и приводит к сокращению пятна контакта до недопустимых размеров (рисунок 7.31). Несоосность валов можно зафиксировать по характеру износа элементов зубчатой муфты (рисунок 7.32).
   

   Рисунок 7.30 — Равномерное расположение пятна контакта по длине и высоте зуба

   Рисунок 7.31 — Сокращение пятна контакта из-за непараллельного расположения осей зацепления при уменьшенном расстоянии между осями зубчатых колёс

   

   Рисунок 7.32 — Неравномерный износ зубьев зубчатой муфты при несоосности валов

   Отклонения в расположении валов и зубчатых колёс приводит к нарушению равномерности воздействия прилагаемых сил. Она может проявляться в неравномерном распределении сил по длине зуба (рисунок 7.33) и равномерном по окружности зубчатого колеса. Неравномерное распределение сил по окружности зубчатого колеса возможно из-за его эксцентричного расположения. Отклонения могут быть настолько велики, что приведут к нарушению контакта зубчатого зацепления (рисунок 7.34). Неравномерность распределения сил приводит к образованию локальных сколов зубьев в ограниченном секторе (рисунок 7.21).

   Рисунок 7.33 — Неравномерное распределение действующих сил по длине зуба и равномерное распределение по окружности зубчатого колеса

   

   Рисунок 7.34 — Повреждения конического колеса при выходе зубьев из зацепления

4. Накопление усталостных повреждений проявляется в зарождении, развитии и реализации трещин, разрушении зубьев (рисунок 7.35)
   

   Рисунок 7.35 — Локальные разрушения зубьев из-за реализации усталостных трещин

Зубчатое колесо необходимо заменить [5]:

• при изломе зуба, наличии трещин возле основания зуба, пластической деформации материала зуба;
• при осповидном выкрашивании с повреждением рабочей поверхности зубьев более чем на 20% и глубине ямок выкрашивания более 5% толщины зуба;
• при абразивном износе зуба на 10-20% от его толщины;
• при наклёпе, задирах на рабочей поверхности зуба и повреждении более 20% площади рабочей поверхности;
• при наличии цветов побежалости на рабочей поверхности зубьев;
• при размере пятна контакта менее 25-60% по высоте и 30-80% по ширине зуба.

Перечень ссылок

1. Механическое оборудование: техническое обслуживание и ремонт / В.И. Бобровицкий, В.А. Сидоров. — Донецк: Юго-Восток, 2011. — 238 с.
2. Седуш В.Я. Надёжность, ремонт и монтаж металлургических машин: учебник / 3-е изд., перераб. и доп. — К: НМК ВО, 1992. — 150 с.
3. Сидоров В.А. Классификация повреждений подшипников // Металлообработка: оборудования и технологии для профессионалов, 2009. — №3. — С. 86-89.
4. Сидоров В.А. Классификация повреждений подшипников // Металлообработка: оборудования и технологии для профессионалов, 2009. — №4. — С. 62-64.
5. Сидоров В.А. Повреждения зубчатых передач. Классификация // Металлообработка: оборудования и технологии для профессионалов, 2010. — №2. – С. 18-22.

Вопросы для контроля

1. Охарактеризуйте основные виды механического износа.
2. Охарактеризуйте основные виды изломов.
3. При каких условиях подшипник качения подлежит замене?
4. При каких условиях зубчатое колесо подлежит замене?