Молекулярно и коррозионно-механическое изнашивание гильз цилиндров

Молекулярно-механическое изнашивание

Молекулярно-механическое изнашивание происходит в результате механического и молекулярного взаимодействия трущихся поверхностей. В результате схватывания поверхностей в месте контакта происходит глубинное вырывание материала, поэтому его называют изнашиванием при заедании. Часто наблюдается при недостатке смазки, больших нагрузках, температурах и скоростях скольжения. Этот вид изнашивания разделяют на изнашивание схватыванием первого и второго рода.

Схватывание первого рода заключается в микросваривании участков трущихся поверхностей. Изнашивание схватыванием первого рода возникает при трении поверхностей с малыми скоростями (1 м/с), отсутствии смазки и при больших нагрузках в местах контакта поверхностей. Под действием большой нагрузки между отдельными выступами трущихся поверхностей возникают металлические связи и упрочнение в месте схватывания. При перемещении происходит вырывание стружки из менее твердой поверхности или царапанье ее упрочненным участком. Изнашивание схватыванием первого рода сопровождается наиболее высоким коэффициентом трения, выделением большого количества тепла и наибольшей интенсивностью изнашивания.

Схватывание второго рода – адгезионное изнашивание. Этот вид разрушения наблюдается при трении скольжения с большими скоростями, недостаточной смазке и со значительными удельными нагрузками. Оно также характеризуется интенсивным повышением температуры в поверхностных слоях и увеличением их пластичности. Первые этапы идентичны схватыванию первого рода. Схватывание контактирующих поверхностей разъединяется не в местах сваривания, а происходит с переносом части одного металла на поверхность другого (адгезия металла). Далее при более жестких условиях трения, трущиеся сваривавшиеся металлы вообще могут не разъединиться, что приводит к заклиниванию или полной потере подвижности контактирующих деталей. Результаты это вида изнашивания легко наблюдать, например, на шейках коленчатого вала, зеркале цилиндра и т.д. Часто заклинивают поршни в двигателях, коленчатые валы и пр.

Явление схватывания имеет место при некоторых технологических процессах: холодная сварка металлов, получение биметаллов методом холодной прокатки. В этом случае схватывание желательно, т.к. происходит образование прочных металлических связей. В трибосопряжениях схватывание всегда вредно и несовместимо с нормальной работой узлов трения. Также схватывания можно наблюдать между инструментом и обрабатываемым металлом при обработке давлением, а при резании оно проявляется в виде наростообразозания на резце.

На сегодняшний день нет единой точки зрения на механизм процесса схватывания при трении. Исследованием схватывания занимались такие ученые как, И.Н. Лагунцев, Ф.П. Боуден, С.Б. Айбиндер и др.

Опыты по трению чистых металлических поверхностей в вакууме показали, что при относительном движении поверхности повреждаются, и сопротивление их смещению того же порядка, что и сопротивление материалов срезу. Это говорит о том, что для образования прочных связей между металлами в холодном состоянии необходимо отсутствие на соприкасающихся поверхностях всякого рода пленок и загрязнении.

Если в обычных условиях приложить нагрузку к двум соприкасающимся металлическим образцам, чтобы обеспечить между ними достаточную площадь контакта, то в результате взаимодействия атомов произойдет схватывание поверхностей, представляющее собой спонтанный процесс, протекающий с выделением энергии.

Схватывание между металлами, покрытыми пленками окислов или другими химическими соединениями и адсорбированными пленками без специальной полной очистки поверхностей не будет проявляться. Схватывание будет возможно в том случае, когда появятся условия для удаления пленок на достаточном числе участков и при сближении поверхностей на этих участках на межатомное расстояние. Такие условия могут быть в результате пластической деформации при действии одной только нормальной нагрузки и зависят от механических свойств пленки и металла. Если сопротивление пленки деформированию значительно больше, чем сопротивление металла (твердость пленки выше твердости металла), то при достаточной нагрузке металл пластически деформируется. Пленка при этом разрывается на отдельные части, связанные с металлом. Происходит выход основного металла в промежутки между частями пленки и совершается схватывание на чистых вновь образованных поверхностях металла. Если твердость пленки меньше твердости металла, то пленка деформируется вместе с металлом, не разрушаясь, схватывания не возникает. Для условий схватывания важно, чтобы твердость пленки была выше твердости металла в начальный период и в процессе деформации поверхности. Один и тот же металл, в зависимости от свойств пленок на его поверхности, может, как обладать способностью к схватыванию, так и не обладать.

Схватывание зависит от толщины металлических и оксидных пленок в результате присутствия на них адсорбированных пленок из внешней среды. Загрязнения с пленок стекают и препятствуют схватыванию поверхностей.

Схватывание поверхностей может быть не только при повышенных температурах, но и при нормальных. Рост температуры способствует более интенсивному протеканию схватывания.

Схватывание между металлическими поверхностями при некоторых режимах трения без смазочного материала возникает сравнительно легко. Пластическое деформирование на площадках фактического контакта и внедрение одной поверхности металла в другую создают условия для удаления окисных и адсорбированных пленок масел, жиров, газов и влаги и образования узлов схватывания. Узел схватывания – это местное соединение поверхностей, образующееся при трении в результате схватывания. Местное соединение поверхностей при трении вследствие адгезии называют узлом адгезии.

Необходимой предпосылкой образования узла схватывания на поверхностях трения является разрушение смазочной пленки. Она разрушатся под действием высокой температуры при упругой деформации поверхностных слоев, при наличии значительной пластической деформации или при совместном действии повышенной температуры и пластической деформации.

Схватывание может произойти не только при взаимном перемещении поверхностей, но и при длительном неподвижном контакте сопряженных деталей в окислительной среде (воздухе, водяном паре и т.д.) вследствие сращивания окисных пленок в зазорах. Такое схватывание наблюдается в предохранительных клапанах и запорной арматуре в виде «прикипания» тарелки к корпусу или к седлу и в резьбовых соединениях, работающих при повышенной температуре, в виде заедания при их разборке.

Рассмотрим различные случаи проявления схватывания и адгезии, наблюдаемые при испытаниях на машинах трения, и при исследовании узлов трения.

1. Вырывание материала в виде микроскопических и субмикроскопических частиц с одной поверхности и перенос их на другую (рис. 4.6). Такое проявление схватывания не вызывает катастрофического разрушения.

Рис. 4.6. Поверхность стального шлифованного образца

с частицами меди

2. Образование тонкой пленки мягкого материала (медь и ее сплавы, бронза, свинец) на твердой сопряженной поверхности. Такое схватывание имеет следующие последствия: может наблюдаться интенсивное изнашивание; заедание при высокой скорости скольжения; резкое увеличение силы трения из-за намазывания (на износ особо не влияет); образование тонкого слоя меди на стальной поверхности (износ не увеличивается) (рис. 4.7).

3. Намазывание является стадией предкатасрофического повреждения деталей. На рисунке 4.8 показано катастрофическое изнашивание бронзовой втулки поршневого двигателя внутреннего сгорания в результате намазывания тонкого слоя бронзы на валик.

Рис. 4.7. Болт шарнирного соединения с тонким слоем бронзы

Рис. 4.8. Поверхность стального валика с наволакиванием

толстого слоя бронзы

4. Перенос твердого материала на мягкую поверхность (сталь на бронзу, бронза на резину и т.д.). В результате на более твердой поверхности образуются риски из-за царапающего действия перенесенного материала. Перенесенный материал находится в наклепанном состоянии. Такой вид схватывания приводит к потере работоспособности узла трения, проявляется достаточно редко в результате действия высоких давлений и температур.

5. Глубинное вырывание материала с образованием борозд, уступов и впадин (рис.4.9). Процесс сопровождается наклепом поверхностного слоя на большую глубину. Происходят структурные изменения с переориентацией зерен по направлению движения поверхности. Глубинное вырывание – явление катастрофическое. Оно приводит к повышению скорости изнашивания в десятки тысяч раз, увеличивает силу трения, вызывает заклинивание и поломку.

Рис. 4.9. Вырывание материала на поверхности стального

золотника топливного насоса

Основным направлением борьбы со схватыванием является локализация пластической деформации при трении в тонких пограничных слоях. Это достигается применением смазочных материалов с антизадирными присадками. Снизить вероятность схватывания поверхностей трения возможно следующими способами: подбирают материалы с пониженной способностью к схватыванию (антифрикционные сплавы: баббиты, бронзы); вводят легирующие элементы, повышая твердость материалов; ограничивают контактные напряжения и скорость относительного перемещения; проводят химико-термическую обработку; на поверхности деталей наносят пленки мягких материалов (свинец, олово); вводят в сплавы мягкие составляющие или материалы со слоистой структурой (графит, дисульфид молибдена); применяют антифрикционные полимерные покрытия; в пористую металлическую основу вводят жидкие или пластичные смазочные материалы.

4.6.6. Коррозионно-механическое изнашивание

Коррозия (от лат. corrosio – разъедание) – это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Коррозионные разрушения в этом случае развиваются при воздействии на трущиеся поверхности таких агрессивных веществ, как химически активные газы, кислотные примеси смазочных материалов, почва и др. Коррозионно-механическое изнашивание возникает в результате механического воздействия на трущиеся поверхности.

Этот вид изнашивания вызывается главным образом химической реакцией материала поверхности трения с кислородом или окисляющей окружающей средой. Коррозия металла в той или иной среде может происходить независимо от того, имеется трение или нет. Совместное действие коррозии, нагружения и механического изнашивания усиливает интенсивность разрушения поверхностей деталей. Сам процесс коррозионно-механического изнашивания главным образом обусловлен электрохимическим коррозионным процессом. Электрохимические процессы существенно ускоряются при деформировании поверхностного слоя. В условиях трения коррозионные процессы ускоряются в тысячи раз.

Коррозионные процессы отличаются широким распространением и разнообразием условий и сред, в которых они протекают. Поэтому пока нет единой и всеобъемлющей классификации встречающихся случаев коррозии. Рассмотрим классификацию в зависимости от различных факторов.

По типу агрессивных сред, в которых протекает процесс разрушения, коррозия может быть следующих видов: газовая коррозия; атмосферная коррозия; коррозия в неэлектролитах; коррозия в электролитах; подземная коррозия; биокоррозия; коррозия блуждающим током.

По условиям протекания коррозионного процесса различаются следующие виды: контактная коррозия; щелевая коррозия; коррозия при неполном погружении; коррозия при полном погружении; коррозия при переменном погружении; коррозия при трении; межкристаллитная коррозия; коррозия под напряжением.

По характеру разрушения: сплошная коррозия, охватывающая всю поверхность (равномерная; неравномерная; избирательная); локальная (местная) коррозия, охватывающая отдельные участки (пятнами, язвенная, точечная (или питтинг), сквозная, межкристаллитная).

Основной является классификация по механизму протекания процесса. Различают два вида: химическую коррозию; электрохимическую коррозию.

Коррозия может стать составной частью процесса изнашивания деталей двигателей внутреннего сгорания независимо от рабочего процесса в них. Так, при сгорании бензина помимо водяных паров образуются двуокись углерода, небольшое количество окислов серы из органических сернистых соединений в составе топлива, окись азота в очень малых количествах и др. При взаимодействии с водяными парами эти продукты образуют кислоты – угольную, сернистую, серную, азотистую, азотную и др., которые в основном удаляются из цилиндра с отработавшими газами. При пониженной температуре стенок цилиндра кислоты легко конденсируются, повышая интенсивность изнашивания стенок и поршневых колец, усиливая коррозию поршня, бобышек и поршневого пальца.

Проблема коррозии подшипников возникла после внедрения в быстроходные двигатели внутреннего сгорания антифрикционных свинцовых, медно-свинцовых и кадмиевых сплавов. Все антифрикционные сплавы, в какой-то мере корродируют под воздействием органических кислот, содержащихся в маслах или образующихся в них во время работы.

Масла окисляясь, дают перекиси, которые вызывают реакции заканчивающиеся образованием органических кислот. Воздействию последних слабо подвержены оловянные баббиты, сильнее реагируют свинцово-мышьяковистые сплавы и свинцовый баббит. По данным исследователей Б.Л. Лосикова и др., коррозионная стойкость медно-свинцовых, свинцово-щелочных и кадмиево-серебряных сплавов в (500. 1700) раз ниже, чем оловянных баббитов.

Последовательное разрушение свинцово-щелочного сплава происходят следующим образом: вначале на гладкой блестящей поверхности появляются матовые шероховатые на ощупь пятна, представляющие собой скопления тончайших каналов, уходящих в глубь заливки на всю ее толщину; образуются раковины в местах пятен; появляются трещины между раковинами и происходит выкрашивание заливки по линии трещин (рис. 4.10).

Корозионно-механическому изнашиванию особого вида подвержены рабочие органы машин по переработке сырья, содержащего жирные кислоты. К таким машинам относятся, например, шнекпрессы для производства растительного масла, машины для резания, дробления, размалывания и перемешивания сырья на мясокомбинатах. Проблема защиты от коррозии свинцовых, медно-свинцовых и кадмиевых сплавов была решена при использовании антикоррозионных присадок маслу.

Рис. 4.10. Сечение поврежденной коррозией поверхности

подшипника из свинцовистой бронзы

Эти присадки представляют собой органические вещества, содержащие фосфор. Пассивация поверхности подшипника происходит в результате образования на ней защитной пленки, ближайшие к металлу слои которой связаны с ним химически, а последующие слои удерживаются силами физической адсорбции. Пленка срабатывается и восстанавливается.

Центробежные насосы перекачивают морскую, речную или воду из скважин с различным содержанием солей и взвешенных частиц. В ходе технологического процесса на предприятиях пищевой, химической и других отраслей промышленности насосы перекачивают, как кислую, так и щелочную воду. Для защиты от коррозии валы центробежных водяных насосов облицовывают рубашками (защитными втулками) из бронзы, стали или чугуна, работающими в паре трения с сальниковой набивкой.

Дата добавления: 2014-12-26 ; Просмотров: 5944 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Основные эксплуатационные дефекты гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания автомобилей

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 02.03.2015 2015-03-02

Статья просмотрена: 17573 раза

Библиографическое описание:

Захаров Ю. А., Булатов Р. Р. Основные эксплуатационные дефекты гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания автомобилей // Молодой ученый. — 2015. — №5. — С. 148-150. — URL https://moluch.ru/archive/85/15984/ (дата обращения: 11.03.2020).

Читайте также:  Какой стиль вождения лучше?

Техническое состояние гильз цилиндров во много определяет тягово-экономические показатели двигателя и его ресурс. Различают несколько основных эксплуатационных дефектов гильз ДВС, классификация и причины возникновения, которых, а также способы устранения рассмотрены в данной статье.

Ключевые слова: гильза цилиндра, двигатель внутреннего сгорания, эксплуатационный дефект, расход топлива, компрессия, износ, трещины.

Гильза цилиндра двигателя внутреннего сгорания представляет собой цилиндрическую вставку, формирующую рабочий объем двигателя и определяющая положение поршня при его движении. От технического состояния гильз цилиндра ДВС зависят такие параметры как мощность, расход топлива, компрессия, расход масла и так далее [1–3].

Основные дефекты гильз цилиндров ДВС, образующиеся при эксплуатации: трещины, износ наружной поверхности, излом бурта, износ посадочных поясков, износ внутренней (рабочей) поверхности.

Трещины на поверхности гильз цилиндров могут возникать от перегрева ввиду превышения предельно допустимой нагрузки на двигатель, неполноценной работы системы охлаждения, под воздействием ударных нагрузок, из-за «размораживания» охлаждающей жидкости двигателя или при нарушении технологии ремонта (перетяжка болтов, перекосы при запрессовке и так далее) [4–6].

В результате чрезмерного нагрева, а иногда и от резкого охлаждения в гильзах появляться микротрещины, которые под действием температуры и ударных нагрузок могут привести к физическому разрушению гильзы, что в конечном итоге вызовет потерю работоспособности цилиндропоршневой группы и двигателя в целом.

При дефектации трещины в гильзах можно обнаружить с помощью рентгенографического исследования, с помощью ориентирования металлических опилок вдоль трещины под воздействием магнитных полей или путем применения смазок и жидкостей, имеющих высокую проникающую способность. При обнаружении трещин гильзы не подлежат ремонту или восстановлению и выбраковываются [4, 7].

2. Износ наружной поверхности.

Как правило, большая часть наружной поверхности находиться в непосредственном контакте с охлаждающей жидкостью, в связи с этим, основными причинами повреждения этой поверхности гильз является квитанционное изнашивание и коррозионные процессы. Величина повреждений наружной поверхности может быть значительно снижена путем применения специализированных охлаждающих жидкостей (антифризов), имеющих в своем составе антикоррозионные, противопенные и другие присадки [2, 5–8].

Наличие дефектов наружной поверхности гильз может приводить к протечкам охлаждающей жидкости в картер двигателя и взаимодействия с моторным маслом, в результате чего образуется масляная эмульсия, не способная полноценно выполнять свою работу. Либо возможно загрязнение охлаждающей жидкости моторным маслом.

Устранение таких дефектов возможно путем нанесения полимерных композиций на изношенные поверхности [1–3, 7–8].

Основными причинами излома бурта гильзы являются: наличие посторонних частиц при запрессовке; неровности и перекосы в области седла буртика в блоке цилиндров; неподходящая по высоте и размерам прокладка головки блока цилиндров; нарушения технологии обработки при ремонте и восстановлении.

Иногда головка блока цилиндров имеет канавку по всему периметру, в которую входит противопожарный борт, причем головка и гильза цилиндра не должны соприкасаться. Если вследствие перекоса или повреждения головка блока требует выравнивания, канавка должна быть пропорционально увеличена. В противном случае есть опасность того, что усилие будет направлены не на прокладку, как должно быть, а на противопожарный борт гильзы цилиндра.

Если данный дефект гильзы не будет вовремя обнаружен, то после пуска двигателя сломанная гильза сдвинется в направлении коленчатого вала, и как только место излома окажется на высоте первого поршневого кольца, поршневое кольцо выскочит выше места излома. При обратном ходе поршня он вдавит гильзу цилиндра. Вращающийся коленчатый вал разобьет гильзу, поршень и шатун также будут повреждены.

Устранить такой дефект можно с помощью пластической деформации, наплавки или приварки стальной ленты с последующей механической обработкой.

4. Износ посадочных поясков гильзы.

Износ посадочных поясков частично связан с кавитационным изнашиванием. Признаком дефекта гильз являются глубокие раковины на поверхности поясков, что является следствием явления кавитации или коррозии.

В процессе работы возникает вибрация гильзы, что также вызывает износ посадочных поясков гильзы.

В реальных условиях эксплуатации двигателей возможно появление овальности посадочных поясков гильзы, вызванное кавитационным разрушением или отложением накипи в зазорах посадочных поясков гильзы в блоке.

Устранить подобный дефект можно также с помощью пластической деформации, наплавки или приварки стальной ленты с последующей механической обработкой.

5. Износ внутренней поверхности цилиндров.

Во время работы двигателя зеркало цилиндров подвергается абразивному и механическому изнашиванию вследствие проникновения в двигатель пыли. Много пыли попадает в цилиндры с воздухом через впускной трубопровод, если имеются неплотности в месте его крепления, или с топливом и маслом при их небрежном хранении.

Механическое изнашивание зеркала гильзы цилиндра больше в верхней части, чем в нижней, так как в верхней части давление значительно выше. Когда в конце такта сжатия в цилиндре сгорает рабочая смесь, то резко повышается давление образовавшихся горячих газов, и первое компрессионное кольцо сильно прижимается к зеркалу цилиндра.

В ВМТ скорость поршня снижается до нуля, масляная пленка выгорает, и первое поршневое кольцо вступает непосредственно в контакт с зеркалом цилиндра. При движении поршня вниз (в первый момент) происходит интенсивное изнашивание зеркала цилиндра и поршневого кольца.

Кроме износа по длине также наблюдается износ в направлении, перпендикулярном оси коленчатого вала, т. е. овализация гильз. Овализация гильз цилиндров вызывается как неравномерностью изнашивания, так и остаточными деформациями, возникающими от сил давления газов и бокового усилия поршня. Наибольшая овальность гильзы происходит в верхнем поясе в зоне расположения верхнего поршневого кольца при положении поршня в верхней мертвой точке.

Устранить износ внутренней поверхности гильзы можно с помощью растачивания, хонингования, шлифования, наплавки, осаждением гальванопокрытий, металлизацией [8].

Таким образом, гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания при работе испытывают большие нагрузки, они подвержены пяти основным эксплуатационным дефектам, каждый из которых имеет свои причины для появления и может быть устранён тем или иным способом, применяемым в авторемонтном производстве.

1. Захаров, Ю. А. Анализ способов восстановления корпусных деталей транспортно-технологических машин и комплексов [Текст] / Ю. А. Захаров, Е. В. Ремизов, Г. А. Мусатов // Молодой ученый. — 2014. — № 19. — С. 202–204.

2. Захаров, Ю. А. Основные дефекты корпусных деталей автомобилей и способы их устранения, применяемые в авторемонтном производстве [Электронный ресурс] / Ю. А. Захаров, Е. В. Ремзин, Г. А. Мусатов // Инженерный вестник Дона: электронный научный журнал. № 4, 2014. URL: www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_48_Zaharov.pdf_b512b82f57.pdf

3. Захаров, Ю. А. Упрочнение деталей автомобилей типа «вал» и «ось» [Текст] / Ю. А. Захаров, Е. В. Ремизов, Г. А. Мусатов // Молодой ученый. — 2014. — № 20. — С. 141–143.

4. Захаров, Ю. А. Основные способы упрочнения рабочей поверхности гильз цилиндров двигателей автомобилей [Текст] / Ю. А. Захаров, Л. А. Рыбакова // Молодой ученый. — 2015. — № 2. — С. 157–160.

5. Голубев, И. Г. Мониторинг технологических процессов восстановления деталей [Текст] / И. Г. Голубев, В. В. Быков, А. Н. Батищев, В. В. Серебровский, И. А. Спицын, Ю. А. Захаров // Технический сервис в лесном комплексе / Сб. материалов. науч.-практ. конф. — Москва: МГУЛ, 2000.– С.31.

6. Обеспечение работы мобильных машин в условиях отрицательных температур [Текст] / Ю. А. Захаров, Е. Г. Рылякин, И. Н. Семов [и др.] // Молодой ученый. — 2014. — № 17. — С. 56–58.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Молекулярно-механическое изнашивание

Молекулярно-механическое изнашивание происходит в результате одновременного механического воздействия и внутренних молекулярных сил. Наиболее распространенным видом этого изнашивания является изнашивание при заедании, характеризующееся схватыванием, глубинным вырыванием материала и переносом его с одной поверхности трения на другую. При этом на трущихся поверхностях появляются углубления в виде канавок. Разрушение объясняется тем, что трущиеся поверхности сцепляются в отдельных местах, а затем значительное количество частиц металла отрывается с одной поверхности и за счет этого на поверхности другой детали образуется нарост. При дальнейшем движении этой детали образовавшийся нарост вызывает появление задира и ускоряет разрушение поверхности другой детали. [1]

Молекулярно-механическое изнашивание , обусловливается наличием местных контактов между трущимися поверхностями, в которых вследствие больших нагрузок и скоростей происходит разрыв масляной пленки, сильный нагрев и сваривание частиц металла. [2]

Молекулярно-механическое изнашивание характеризуется схватыванием, вырыванием элементов материала и переносом их с одной поверхности на другую, а также воздействием возникших неровностей на механическое изнашивание трущихся поверхностей. [3]

Молекулярно-механическое изнашивание может наблюдаться в процессе приработки механизмов. [4]

Молекулярно-механическое изнашивание возникает в результате одновременного воздействия механических и молекулярных сил. Трущиеся поверхности сопряженных деталей вследствие их неровностей ( следов обработки) или выступающих частиц могут контактировать. В местах контакта, через которые передается значительная нагрузка, возможны разрывы масляной пленки, а при больших относительных скоростях перемещения поверхностей деталей – сильный нагрев, приводящий к испарению масляной пленки и схватыванию частиц металла. В последующем эти связи разрушаются или схватившиеся частицы отрываются одна от другой. [5]

Молекулярно-механическое изнашивание – изнашивание происходит в результате одновременного механического воздействия и молекулярных или атомарных сил. Трущиеся поверхности сопряженных деталей вследствие их неровностей ( следы обработки) при наличии выступающих частиц могут иметь местные контакты. В местах контакта, через которые передается значительная нагрузка, возможны разрывы масляной пленки, а при больших относительных скоростях перемещения поверхностей деталей – сильный нагрев, приводящий к испарению масляной пленки и схватыванию частиц металла. В следующее мгновение происходит разрушение этих связей или отрыв схватившихся частиц друг от друга. [6]

Молекулярно-механическое изнашивание – вид изнашивания, обусловленный разрушением местных металлических связей, схватыванием на трущихся поверхностях, приводящим к вырыванию частиц металла. [7]

Молекулярно-механическое изнашивание может рассматриаться в двух разновидностях: только как молекулярно-механическое взаимодействие, возникающее при нормальных и низких температурах, и как возникновение металлических связей, обусловленное нагревом металла в зоне трения в отдельных микро – и макрообъемах до температуры размягчения, облегчающих молекулярное схватывание и возможное образование узлов сварки металла. [8]

Молекулярно-механическое изнашивание имеет место при одновременном механическом воздействии и воздействии молекулярных или атомарных сил. К этой группе видов изнашивания относятся изнашивание при заедании, изнашивание в условиях избирательного переноса. [9]

Молекулярно-механическое изнашивание происходит в результате одновременного механического воздействия и внутренних молекулярных сил. Наиболее распространенным видом этого изнашивания является изнашивание при заедании, характеризующееся схватыванием, глубинным вырыванием материала и переносом его с одной поверхности трения на другую. Схватывание и задирание происходят на трущихся поверхностях деталей в результате плохой смазки, больших давлений и недостаточной чистоты обработки поверхностей. При этом на трущихся поверхностях появляются углубления в виде канавок. Разрушение объясняется тем, что трущиеся поверхности сцепляются в отдельных местах, а затем значительное количество частиц металла отрывается с одной поверхности и за счет этого на поверхности другой детали образуется нарост. При дальнейшем движении этой детали образовавшийся нарост вызывает появление задира и ускоряет разрушение поверхности другой детали. [10]

Разновидностью молекулярно-механического изнашивания является изнашивание при заедании, как результат схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность. [11]

При молекулярно-механическом изнашивании и проявлении схватывания при трении на поверхности одной из деталей могут быть макроскопические вырывы и перенос материала на другую деталь. [12]

Для возникновения молекулярно-механического изнашивания необходимы два условия: наличие между поверхностями значительных напряжений сжатия, которые обеспечивают сближение контактирующих участков на расстояние, не превышающее размеров атомных решеток этих тел; и отсутствие между контактирующими участками смазки, адсорбированных пленок, пленок окислов и различных загрязнений. [13]

Широко распространено в узлах трения ПТМ молекулярно-механическое изнашивание или изнашивание при заедании, называемое также адгезионным. [15]

Коррозионно-механическое изнашивание

Коррозионно-механическое изнашивание характеризуется процессом трения материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой. При этом на поверхности металла образуются новые, менее прочные химические соединения, которые в процессе работы сопряжения удаляются с продуктами изнашивания. К коррозионно-механическому изнашиванию относят окислительное изнашивание и изнашивание при фреттинг-коррозии.

Окислительным называют изнашивание, при котором основное влияние на разрушение поверхности оказывает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой. Оно возникает при трении качения со смазочным материалом или без него. Скорость окислительного изнашивания невелика и составляет 0,05. 0,011 мкм/ч. Процесс активизируется с повышением температуры, особенно во влажной среде.

Изнашиванием при фреттинг-коррозии называется коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях. Этот вид изнашивания отличается от изнашивания при фреттинге механического изнашивания соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях. Основное отличие заключается в том, что изнашивание при фреттинге происходит в отсутствие окисляющей окружающей среды без проявления химической реакции материалов деталей и продуктов изнашивания с кислородом. Учитывая это, нетрудно провести аналогию в механизмах развития изнашивания при фреттинге и фреттинг-коррозии.

Изнашивание при фреттинге и фреттинг-коррозии обычно происходит на сопряженных поверхностях валов с напрессованными на них дисками колес, муфтами и кольцами подшипников качения; на осях и ступицах колес; на опорных поверхностях пружин; на затянутых стыках, пригнанных поверхностях шпонок и пазов; на опорах двигателей и редукторов. Необходимым условием возникновения фреттинг-коррозии является относительное проскальзывание сопряженных поверхностей, которое может быть вызвано вибрацией, возвратно-поступательным перемещением, периодическим изгибом или скручиванием сопряженных деталей. Фреттинг-процесс сопровождается схватыванием, окислением, коррозией и усталостным разрушением микрообъемов.

Читайте также:  Как должны быть отрегулированы фары

В результате фреттинг-коррозии предел выносливости поверхности уменьшается в 3-6 раз. На поверхностях деталей в местах сопряжений образуются натиры, налипания металла, вырывы, раковины, а также поверхностные микротрещины. Отличительным признаком износа вследствие фреттинг-коррозии является наличие на поверхностях трения раковин, в которых сосредоточены спрессованные оксиды, имеющие специфическую окраску. В отличие от изнашивания других видов при фреттинг-коррозии продукты изнашивания в основной своей массе не могут выйти из зоны контакта рабочих поверхностей деталей.

Изнашивание при фреттинг-коррозии влечет за собой нарушение размерной точности соединения (если часть продуктов изнашивания находит выход из зоны контакта) либо заедание и заклинивание разъемных соединений (если продукты изнашивания остаются в зоне трения). Для фреттинг-коррозии характерны низкая скорость (около 3 мм/с) относительного перемещения поверхностей и путь (0,025 мм) трения, эквивалентный амплитуде колебаний, при частоте колебаний до 30 Гц и выше; локализация повреждений поверхности на площадках действительного контакта вследствие малых относительных смещений; активное окисление

При взаимодействии эластомерных материалов с металлическими деталями также наблюдается явление схватывания. Эластомер изнашивается, если коэффициент трения между ним и твердой поверхностью достаточно велик, а прочность эластомера на разрыв мала. Если поверхностные слои материала находятся в состоянии максимальной деформации, то в направлении, перпен­дикулярном к направлению скольжения, появляется царапина или небольшая трещина. Далее происходит постепенное вырывание части упругого материала эластомера, находящегося в состоянии схватывания с твердой поверхностью. При этом слой эластомера, отделяемый от поверхности, скручивается в ролик и образует частицу износа. Интенсивность изнашивания эластомера в этом случае существенно зависит от температуры, нагрузки и вида смазочного материала. Подбирая смазочный материал с учетом внешних условий и упругих свойств эластомера, можно полностью исключить этот вид изнашивания.

Процесс изнашивания при фреггинг-коррозии в условиях трения без смазочного материала можно разделить на три этапа.

Первый этап сопровождается разрушением выступов и оксидных пленок вследствие циклически повторяющихся колебательных относительных перемещений контактирующих поверхностей под действием высоких нагрузок. Происходят процессы упрочнения материалов и пластического деформирования выступов микронеровностей, вызывающие сближение поверхностей. Сближение поверхностей вызывает молекулярное взаимодействие и схватывание металла в отдельных точках контакта. Разрушение вследствие усталости выступов и узлов схватывания порождает продукты изнашивания, часть которых окисляется. Для этого этапа характерен повышенный износ с монотонно убывающей скоростью изнашивания.

На втором этапе в поверхностных слоях накапливаются усталостные повреждения. В зоне трения формируется коррозионно-активная среда под действием кислорода воздуха и влаги. Между поверхностями создается электролитическая среда, интенсифицирующая процесс окисления металлических поверхностей и их коррозионное разрушение. Для этого этапа характерны стабилизация процесса изнашивания, уменьшение скорости изнашивания по сравнению со скоростью изнашивания на первом этапе.

На третьем этапе вследствие усталостных коррозионных процессов разупрочненные поверхностные слои металлов начинают интенсивно разрушаться с постепенно возрастающей скоростью. Процесс имеет коррозионно-усталостный характер разрушения.

Интенсивность разрушения поверхностей при фретгинг-коррозии зависит от амплитуды и частоты колебаний, нагрузки, свойств материалов деталей и окружающей среды.

Классификация видов изнашивания

В процессе эксплуатации оборудование и его элементы, под­вергаясь различным воздействиям, изменяются по состоянию, раз­мерам и свойствам. Эти изменения могут протекать плавно (зако­номерное изменение) и скачкообразно (незакономерное измене­ние). Причины указанных изменений — явления изнашивания, оцениваемые по изменению геометрических размеров элементов машин, их массы или по каким-либо другим косвенным призна­кам (износ вследствие изменения формы без потери массы и др.).

Изнашивание— процесс, приводящий к изменению не только внешних, но и прочностных характеристик элементов машин, что постепенно уменьшает их надежность и ведет к отказам в работе.

Наиболее интенсивно процесс изнашивания протекает в сопря­женных элементах машин, особенно при взаимном их перемеще­нии. На рис. 7 представлены основные факторы, определяющие процессы изнашивания в машинах.

Рис. 7. Основные факторы, определяющие процессы изнашивания в машинах и оборудованиях.

Износ— результат изнашивания, проявляющийся в виде отде­ления или остаточной деформации материала детали. Последстви­ем износа, как правило, является нарушение сопряжений, кинема­тических связей и работы деталей данного узла или механизма в целом.

Изнашивание машин может быть механическим, молекулярно-механическим, коррозионно-механическим, коррозионным.

Механическое изнашивание происходит в результате механи­ческих воздействий и включает следующие виды изнашивания: аб­разивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, устало­стное, кавитационное.

Абразивное изнашивание возникает в результате режущего и царапающего действия твердых частиц. Эти частицы, попавшие извне или отделившиеся (выкрошенные, состроганные и т.п.) от взаимосоприкасающихся и трущихся деталей, в значи­тельной мере увеличивают их износ.

Гидроабразивное изнашивание возникает в ре­зультате воздействия твердых частиц, попавших в поток масляной жидкости, служащей смазкой между деталями.

Газоабразивное изнашиваниевозникает в резуль­тате воздействия твердых частиц, попавших между трущимися де­талями с потоками газа.

Эрозионное изнашивание поверхностей деталей происходит в результате воздействия потоков жидкости или газа, содержащих чрезмерно мелкие твердые частицы или включения.

Газоабразивное изнашивание характерно для двигателей внут­реннего сгорания, а эрозионное — для его частей: клапанной сис­темы, распылителей форсунок, жиклеров карбюраторов и др.

Усталостное изнашивание возникает в результате повторного деформирования материала деталей. Оно возникает и развивается в наиболее напряженных, преимущественно рабочих, поверхностных слоях деталей вследствие длительного действия нагрузок, особенно переменных по значению и направлениям. Мри этом виде изнашивания причиной поломок деталей являются усталостные трещины, которые начинают развиваться в той час­ти поверхности, где действуют растягивающие напряжения, и, как правило, от того места, где появились различного рода риски, забоины, отслоения.

Кавитационное изнашивание проявляется при от­носительном перемещении твердых тел в жидкостной среде. Чаще всего оно наблюдается в гильзах блока цилиндров, систем охлаж­дения и смазки двигателей внутреннего сгорания, лопастей масля­ного и водяного насосов и т.п.

Молекулярно-механическое изнашивание происходит в результате одновременного воздействия механических и молекулярных или атомарных сил. Взаимосоприкасающиеся и трущиеся поверх­ности сопряженных деталей вследствие их неровностей и шерохо­ватостей имеют контакты, через которые передаются значитель­ные удельные нагрузки, поэтому возможны разрывы смазываю­щей пленки (масел, мазей), а при больших относительных скоростях перемещения поверхностей деталей возникает чрезмерный на­грев, приводящий к испарению смазывающей пленки масел или мазей и к схватыванию частиц соприкасающихся деталей. В даль­нейшем происходит отрыв и разрушение мест схватывания деталей. При этом на одной из поверхностей образуется углубле –ние, а на другой — выступ, т.е. происходит перенос металла с одной поверхности на другую.

Рассматриваемый вид изнашивания наблюдается в процессе приработки деталей и элементов машин.

Коррозионно-механическое изнашиваниепроисходит при трении материалов, вступивших в химическое взаимодействие со средой (кислородом воздуха и другими газами). Под действием агрессивной окислительной среды на взаимосоприкасающихся и трущихся повер­хностях деталей образуются пленки окислов, которые в результате механического трения снимаются, а поверхности, освободившиеся от этих пленок, снова окисляются и т.д., т.е. происходит процесс из­нашивания. Примером является изнашивание деталей цилиндропоршневой группы двигателей вследствие наличия в среде таких агентов коррозии, как серная, сернистая и органические кислоты.

Наиболее значительное влияние на процесс изнашивания оказы­вают силы трения, вызывая механический и другие виды износа вза­имосоприкасающихся поверхностей. Причем возникающее в резуль­тате трения изнашивание представляет собой целый ряд одновремен­но протекающих процессов: истирание, смятие, окисление и др.

Процесс истирания возникает при скольжении одной детали машины или ее элемента относительно другой. Это явление назы­вается трением первого рода и происходит вследствие того, что со­прикасающиеся поверхности, как правило, имеют неровности (шероховатости), препятствующие свободному перемещению (скольжению) одной детали по другой. Процесс истирания проис­ходит тем интенсивнее, чем более шероховаты соприкасающиеся поверхности. Интенсивность изнашивания возрастает, если меж­ду соприкасаемыми поверхностями попадают абразивные или другие включения.

Процесс истирания возникает также при взаимном обкатыва­нии поверх –ностей деталей машин под нагрузкой и при ударах. Это явление называется трением второго рода. Оно происходит вслед­ствие того, что в результате обкатывания или ударов на поверх­ностях соприкасающихся деталей появляются микротрещины, а часто и макротрещины, с последующим развитием их в глубину и образованием тонкой пленки металла, которая в дальнейшем вык­рашивается и отслаивается, в результате чего возникает так назы­ваемый износ при крупном разрушении. Причинами такого износа могут быть поверхностная усталость, а также структурные нарушения металла соприкасающихся поверхностей вследствие нагре­ва и ударов. Рассмотренный вид механического износа часто по­является на рабочих поверхностях зубчатых и червячных передач, подшипников качения, различных опорных устройств и т.п.

Рис.8. Изнашивание в сопряженных деталях: а — нарастание износа; б — скорость изнашивания

Коррозионное изнашивание — разрушение металлических час­тей машин под действием окружающей среды, особенно увлаж­ненной. Разрушение при этом виде изнашивания начинается, как правило, с наружных поверхностей, постепенно проникая вглубь. Наиболее распространенный вид коррозии — ржавление, т.е. со­единение металла с кислородом воздуха. В результате коррозии неокрашенные поверхности металлических частей машин сначала покрываются темным налетом, а затем глубокими (если не будут приняты необходимые меры) разъедающими изъянами, при этом металлические части приобретают губчатую непрочную структу­ру. Наибольшему поражению и износу в результате коррозии под­вергаются детали машин с малым содержанием углерода. Интен­сивность коррозии нарастает в присутствии ряда газов и жидко­стей, содержащих кислоты и щелочи.

Различают два вида коррозионных процессов изнашивания: хи­мический и электрохимический.

Химическая коррозия проявляется при воздействии кислорода воздуха и различных газов (углекислого, сернистого), а также жидкостей, не проводящих электрического тока (масел и мазей переработки нефти, различных смол). Интенсивность химического изнашивания деталей зависит от качества материалов, из которых они изготовлены, степени окисляемости при высоких температурах и условий работы (нейтральная или агрессивная среда и др.).

Электрохимическая коррозия возникает в средах, проводящих электрический ток, т.е. в электролитах — растворах солей, кислот, щелочей, а также во влажной атмосфере и почве.

Закономерность нарастания износа элементов оборудования, особенно в их сочленениях, выражается кривой, имеющей три чет­ко выраженных участка, которые характеризуют периоды работы сочленений (рис. 8):

I— период приработки, когда сочленения изнашиваются очень интенсивно, но скорость изнашивания постепенно снижается;

II— период нормальной работы, когда условия на поверхности сочлененных деталей становятся постоянными, а изнашивание протекает с постоянной скоростью;

III— период аварийного, наиболее интенсивного изнашивания, когда износы (зазоры) достигают недопустимых значений.

Период нормальной работы элемента оборудования (сбороч­ной единицы, детали, пр.):

(31)

где — продолжительность приработки деталей; — износ, со­ответствующий максимально допустимому износу (зазору) в со­пряжениях деталей; — износ, соответствующий окончанию при­работки деталей; tg — коэффициент, характеризующий темп скорости изнашивания деталей.

На темп изнашивания нормального периода эксплуатации влияют следующие основные факторы: условия работы — давле­ние, характер нагрузок, относительные скорости, температуры и др.; свойства материалов, их изменяемость в работе; условия со­пряжения, характер контакта сопряженных элементов, качество обработки материала, из которого изготовлены эти элементы; своевременность и качество технических обслуживании; соответствие применяемых топлив и смазочных материалов.

Кроме изнашивания возможны явления пластических дефор­маций элементов оборудования, возникающие вследствие недопу­стимых нагрузок на эти элементы.

Изменения в машинах и их элементах выражаются следующей функциональной зависимостью:

(32)

где — эксплуатационные факторы (характер и особенности производства работ, режимы использования машин, климатичес­кие условия и др.); — конструктивные факторы (кинематичес­кие и динамические особенности машин, свойства материалов, из которых изготовлены их элементы, и др.); — технологичес­кие факторы (вид материалов, из которых изготовлены элементы машин, способы и качество их обработки и др.); — субъектив­ные особенности и квалификация обслуживающего машины пер­сонала (машинистов, слесарей, заправщиков и др.).

Износы в машинах и их элементах подразделяются на мораль­ные и физические.

Моральный износ — снижение стоимости оборудования под влиянием технического прогресса.

Этот вид износа имеет две фор­мы проявления. Моральный износ первой формы — обесценива­ние машин вследствие постоянного роста производительности труда в отраслях, выпускающих эти машины, а также изготовляющих для них изделия, материалы и т.п. Область распростране­ния этой формы морального износа определяется темпами техни­ческого прогресса той отрасли народного хозяйства и связанных с ней отраслей, которые производят указанные машины или ком­плектующие для них изделия, материалы и т.п.

Потеря стоимости оборудования в связи с моральным износом первой формы:

(33)

где — первоначальная стоимость оборудования, руб.; — восстановительная стоимость машины или стоимость полного ее воспроизводства на момент физического износа с учетом появле­ния более совершенных конструкций, руб.

Восстановительная стоимость оборудования через определен­ное время Т:

(34)

где — первоначальная стоимость машины, руб.; р — средне­годовой прирост производительности труда в отрасли и в связан­ных с ней отраслях, выпускающих указанный вид оборудования.

Моральный износ второй формы — обесценивание оборудо­вания вследствие появления новой техники, т.е. аналогичных или близких к ним машин, но более совершенных конструкций. Пока­зателем морального износа этой формы служит коэффициент сни­жения стоимости машин вследствие технического прогресса, вы­раженный в долях от первоначальной ее стоимости:

(35)

Физический износ возникает в результате механического молекулярно-механического и коррозионно-механического изнашива­ний и складывается из износа конструктивных и неконструктив­ных элементов машин. Физический износ появляется как вследствие прямого действия машин и их элементов (износ в результате прямого действия машин), так и вследствие непрямого действия оборудования и отдельных его элементов (износ в результате без­действия оборудования — во время простоев, когда на них влия­ют атмосферные и другие неблагоприятные условия). Износ опре­деляют в процентах: новые элементы в оборудовании (детали, сборочные единицы и др.) принимаются за 100 % годности, а из­ношенные, применение которых является невозможным, — за 100 % износа.

Читайте также:  Наружная мойка

В стоимостном выражении физический износ оборудования определяется (% от стоимости воспроизводства):

(36)

где — сметная стоимость ремонта оборудования, руб.; — восстановительная стоимость оборудования или стоимость пол­ного воспроизводства оборудования на момент физического его износа с учетом появления более совершенных конструкций, руб.; а — относительное значение остаточного износа, которое уста­навливается из опытных данных ремонта подобного оборудова­ния, %.

Ремонт оборудования целесообразен в том случае, если затра­ты на восстановление оборудования будут меньше затрат на при­обретение нового, т.е. 4 5678910111213141516Следующая

Дата добавления: 2016-06-22 ; просмотров: 16198 ;

Условия работы и основные требования, предъявляемые к материалу гильз блока цилиндров Текст научной статьи по специальности « Технологии материалов»

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — A. H. Крутилиh, M. И. Курбатов, М. И. Курбатова

The conditions of work and main requirements to material of the cylinders block liners are given.

Текст научной работы на тему «Условия работы и основные требования, предъявляемые к материалу гильз блока цилиндров»

ДГТТгГ: rr ГСГЗГШГРГТГС

The conditions of work and main requirements to material of the cylinders block liners are given.

А. Н. КРУТИЛИН, М. И. КУРБАТОВ, М. И КУРБАТОВА, БИТУ

УСЛОВИЯ РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МАТЕРИАЛУ ГИЛЬЗ БЛОКА ЦИЛИНДРОВ

Технический прогресс в области двигателест-роения, направленный на увеличение удельной мощности современных двигателей, связан с ростом давлений и тепловой напряженности деталей цилиндропоршневой группы, что неизбежно приводит к ухудшению условий трения и интенсификации износа гильз цилиндров и поршневых колец.

Несмотря на постоянное совершенствование конструкции двигателей, технологии их производства и ремонта, вопросы повышения износостойкости деталей цилиндропоршневой группы продолжают привлекать исследователей и практиков. До сих пор в технической литературе не существует общепринятого критерия износостойкости для различных процессов изнашивания. Нет единой точки зрения и на особенности износа пары трения гильза цилиндров – поршневое кольцо. При трении протекают одновременно различные процессы разрушения. Различают хрупкий, вязкий, полидеформационный или усталостный характер разрушения. Первые два вида разрушения имеют место при однократном контактировании микровыступов, остальные — после определенного числа циклов. Если напряжения в очаге касания выше предела текучести, но ниже предела прочности, то разрушение носит полидеформационный характер, а при напряжениях ниже предела текучести — усталостный. Уменьшение величины износа возможно при снижении уровня хрупкого и вязкого разрушения.

Достижения в области физики твердого тела, физико-химической механики, металловедения и технологии производства позволяют с новых позиций объяснить механизмы повреждений трущихся поверхностей и выбрать эффективные способы борьбы с износом.

Сопряжение гильза цилиндра — поршневое кольцо работает при нестационарных тепловых, нагрузочных, скоростных режимах, масляном

голодании, воздействии абразивной и газовых сред, возникновении микросхватывания с различной интенсивностью разрушения. Этому сопутствуют необратимые процессы усталости и охрупчивания, постоянно происходящие в тонких поверхностных слоях. Условия трения по высоте цилиндра различны. Наиболее неблагоприятные условия трения в цилиндре двигателя внутреннего сгорания возникают при реверсировании в зонах минимальных скоростей движения поршня и особенно у камеры сгорания, где температура поверхностей трения цилиндра и колец достигает 350°С, максимальное давление — 6—16 МПа.

Как показывают исследования, около мертвых точек всегда наблюдается почти полное разрушение масляной пленки. В области повышенных скоростей движения поршня несущая способность пленки возрастает и может достигнуть величины, присущей режиму трения в случае полужидкостной смазки.

В процессе эксплуатации двигателей на трущихся поверхностях протекают сложные физико-химические процессы, приводящие к износу и разрушению их поверхностного слоя, т.е. к изменению размеров и геометрии сопряженных деталей. Характер протекания этих процессов, в свою очередь, определяет мощностные и экономические показатели работы двигателя.

Наибольшее влияние из внешних факторов на интенсивное протекание изнашивания за счет микросхватывания оказывают абразивное воздействие твердых частиц и температура в зоне фрикционного контакта. В зависимости от свойств материалов и условий трения этот вид изнашивания может протекать на атомарном, ионном, субмикро- и макроуровнях с различной интенсивностью, достигая в экстремальном случае катастрофической формы – задира.

В зависимости от режимов трения в цилиндре двигателя, свойств материалов втулки, поршня и поршневых колец можно наблюдать различную

интенсивность массопереноса с одной поверхности трения на другую и разные размеры разрушения сопряженных поверхностей, реализуемые в макро-, микро- и субмикрообъемах.

Абразивное изнашивание деталей цилиндропор-шневой группы вызвано в основном частицами минерального происхождения, проникающими вместе с воздухом в цилиндр. Максимальный износ находится в верхней части гильзы, сильно изнашиваются верхнее компрессионное кольцо и канавка под него в поршне. Абразивное изнашивание протекает в процессе микрорезания и царапания поверхности детали твердыми абразивными частицами.

Коррозионно-механический износ гильз цилиндров состоит во взаимодействии материала поверхностей, трения с газообразными и жидкими продуктами сгорания топлива, окисления масла и воды. Условия для его развития создаются при холодных запусках двигателя. Продукты сгорания топлива и смазки, взаимодействуя с конденсатом, образуют разбавленные растворы органических и неорганических кислот. В результате на внутренней поверхности гильз цилиндров развиваются процессы электрохимической коррозии.

Коррозионно-механический износ состоит обычно из двух фаз: фазы воздействия агрессивного вещества на металл и образования оксидной пленки, и фазы удаления этой пленки с поверхности трения. Считается, что для гильз цилиндров двигателей основное значение имеет электрохимическая коррозия, являющаяся результатом взаимодействия с металлом слабых кислот, растворенных в воде и сконденсировавшихся на стенках цилиндров. Практика показывает, что в настоящее время доля коррозионно-механическо-го изнашивания резко уменьшилась. Природа коррозионно-механического износа гильзы изучена еще недостаточно и не все процессы объяснимы с точки зрения износа. Нельзя рассматривать только коррозионно-механический износ гильзы без учета остальных факторов.

Анализ причин преждевременного износа гильз цилиндров показывает, что нарушение работоспособности обусловлено также кавитационными процессами и образованием трещин на зеркале гильзы в результате термоциклической усталости ее материала.

Кавитационное разрушение гильз цилиндров возникает в системе охлаждения двигателя под воздействием высокочастотных вибраций цилиндров, возмущаемых ударами поршня о стенки цилиндров в верхней мертвой точке. Вибрация вызывает в водяной рубашке образование и схло-пывание кавитационных пузырей, что обусловливает кавитационную эрозию. Механизм разрушения металла при кавитации очень сложен и зависит от многих факторов, например, интенсивности и частоты вибрации поверхности, давления в среде и свойств материала разрушаемой поверхности.

Разрушение стенок и гильз цилиндров под воздействием кавитационной эрозии существенно снижает срок службы и надежность двигателей внутреннего сгорания. Практика эксплуатации двигателей показывает, что до 50% гильз, находящихся в работе, имеют кавитационные разрушения.

Кроме различных видов износа и кавитационной эрозии, значительное влияние на долговечность гильз цилиндров оказывают частые теплосмены, которые неизбежно происходят при эксплуатации двигателя. В результате в процессе работы происходит изменение макро- и микроструктуры сплава.

Рассмотренные выше виды износа цилиндров относятся к режимам эксплуатации двигателей. Молекулярно-механический износ и микросхватывания поверхностей кольца и цилиндра наблюдаются при недостаточной смазке верхней зоны цилиндра. Коррозионно-механический износ наблюдается при нарушении теплового режима двигателя. Абразивный износ является следствием плохой очистки воздуха, т.е. в первую очередь недостаточного уплотнения картера.

Во всех случаях эксплуатации и при любом доминирующем виде износа гильза изнашивается неравномерно по длине образующей цилиндра, имеет место ярко выраженный максимум в верхней части, в зоне между верхними мертвыми точками первого и второго компрессионного колец. Возникновение неравномерного износа цилиндра вызывает повышение износа всех деталей цилиндропоршневой группы и резкое уменьшение надежности их работы.

За рубежом в основном применяют гильзы без термической обработки только для двигателей, работающих в условиях большой запыленности, используют закаленные гильзы. Гильзы имеют твердость НЯС 50-55 при объемной закалке и НЯУ 800 при поверхностной. Большое внимание уделяют распределению остаточных напряжений в гильзах цилиндров. При литье в песчано-глинис-тую форму остаточные напряжения не превышают 50 МПа, поэтому они не могут оказать существенного влияния на изменение геометрии в процессе эксплуатации и на возможный процесс трещино-образования. В большинстве заготовок гильз, полученных центробежным способом литья, остаточные напряжения также малы

120МПа, т.е. не превышают предела прочности материала (180-220 МПа). Суммарные напряжения, возникающие при последовательном снятии растягивающих слоев у одной из поверхностей посредством механической обработки, а также появление дополнительных напряжений от зажима заготовки на станке и усилия резания, в результате перераспределения напряжений могут превысить предел прочности материала. В ряде случаев это приводит к разрушению гильзы. Склонность к трещинообразованию отдельных гильз центробежного литья связана с наличием в них неблагоприятного распределения остаточных напряжений.

Таким образом, исходя из реальных условий эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, требования к гильзам цилиндров можно сформулировать следующим образом:

• высокая механическая, статическая и усталостная прочность;

• кавитационная и термоциклическая стойкость;

• высокая износостойкость и низкий коэффициент трения;

• стабильность свойств в процессе эксплуатации;

• хорошая обрабатываемость резанием;

• технологичность получения заготовок.

В практике мирового двигателестроения для гильз цилиндров в качестве материалов применяются сырые, легированные и высокопрочные чугу-ны. Чугун лучше других материалов удовлетворяет требованиям, предъявляемым к деталям цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания, работающих в условиях граничной смазки.

Большинство производителей обеспечивают получение во втулках средне- и мелкопластинчатых включений графита завихренной формы, структурно свободный цементит вообще не допускают вследствие возможного выкрашивания его в зоне скольжения. Действуя как абразив, он может вызвать задиры и повышенный износ. Содержание феррита не более 5%, так как он способен пластически деформироваться, наклёпываться и схватываться, приводя к неравномерному и интенсивному износу.

Содержание фосфора выбирают с учетом его влияния как на образование сетки фосфидной эвтектики, повышающей износостойкость, так и воздействием его на прочность, которая с увеличением содержания фосфора повышается.

Основными элементами, с помощью которых регулируют структуру металлической основы, а также количество, размер и форму графита, являются углерод, кремний и марганец. Содержание этих элементов выбирается с учетом толщины стенки гильзы. Применительно к деталям, работающим на износ, установлено, что увеличение общего содержания углерода повышает износостойкость, улучшает антизадирные свойства вследствие увеличения количества графита. Однако содержание углерода рекомендуется ограничивать, так как его чрезмерное содержание может привести к укрупнению графитных включений, которые легко выкрашиваются в процессе эксплуатации, сильно разрыхляя металлическую основу чугуна.

Марганец предупреждает выделение феррита, способствует отбелу и в известных пределах весьма благоприятно влияет на износостойкость деталей цилиндропоршневой группы, его содержание рекомендуют поддерживать в пределах 0,4—0,7%.

шгггг:гг п^штптп / то

Присадкой повышенных количеств марганца можно значительно повысить прочность чугуна при малой степени измельчения графита.

В качестве легирующих элементов чаще всего применяют различные сочетания хрома, никеля, меди, ванадия, титана, молибдена, сурьмы и некоторых других элементов.

Анализ микроструктуры металлической матрицы чугунов, используемых для изготовления гильз цилиндров, свидетельствует о том, что практически все они перлитного класса. Закаленные гильзы используют только для двигателей, работающих в условиях большой запыленности. Термическая обработка позволяет значительно ослабить отрицательное действие таких факторов, как колебание химического состава, влияние температуры перегрева и заливки металла, некачественные эксплуатационные материалы, фильтры и т.п. Однако в процессе поверхностной термообработки, хотя и в меньшей степени, а объемной в большей наблюдается значительное коробление гильзы.

Бейнитный чугун имеет более высокую стойкость к абразивному изнашиванию и задиру, чем более мягкие марки чугуна, а это позволяет удвоить срок службы гильз. Мартенситная закалка еще более увеличила бы износостойкость (срок службы увеличивается в 5 раз), но полученная таким образом структура имеет небольшую стойкость к интенсивному задиру и ей необходим отпуск между 300 и 500°С для снижения твердости до 250-350 НВ.

Промышленное использование легирования ограничивается непостоянством получаемых результатов, что подтверждается практикой работы заводов при производстве заготовок для гильз цилиндров тракторных и автомобильных двигателей. Накопленный опыт применения чугунов для гильз цилиндров двигателей позволяет сделать вывод о том, что каждый из этих сплавов обеспечивает надежную работу гильз в течение 4,5-5,5 тыс. ч при условии равномерного распределения структурных составляющих, вредных примесей и неметаллических включений на рабочих поверхностях, а также применение совершенных фильтрующих устройств двигателей и высококачественных горючих и смазочных материалов. Равномерность свойств по сечению гильзы не является оптимальной. С эксплуатационной точки зрения можно считать, что оптимальной структурой на внутренней поверхности гильзы является бейнитная или мартенситная, а с наружной стороны — ферритная как наиболее теплопроводная структурная составляющая.

Получение высоких эксплуатационных свойств гильз цилиндров может быть достигнуто только за счет правильно выбранного технологического процесса и строгой оптимизации химического состава и структуры.

Ссылка на основную публикацию