Оценка технического состояния технических систем

Основными постоянно действующими причинами изменения технического состояния автомобиля, его агрегатов и механизмов являются: изнашивание, пластические деформации и усталостные разрушения, коррозия, физико-химические и температурные изменения материалов и деталей.

Изнашивание. Процесс изнашивания возникает под действием трения, зависящего от материала и качества обработки поверхностей, смазки, нагрузки, скорости относительного перемещения поверхностей и теплового режима работы сопряжения.

Изнашивание - это процесс разрушения и отделения материала с поверхности детали и (или) накопления ее остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и формы деталей /3, 4, 5/.

Результат изнашивания, определяемый в установленных единицах, называется износом, который может быть линейным, объемным, массовым.

Интенсивность изнашивания - это относительные величины износа (отношение износа к пути трения или показателю, связанному с работой изделия, например километру пробега или часу работы автомобиля, числу циклов и т.д.).

Поверхности трения не являются абсолютно ровными; они обладают микронеровностями, величина которых зависит от точности обработки (точение – до 80 мкм, шлифование – от 2 до 20 мкм, полирование – от 0, 8 до 1, 3 мкм). При трении возникает взаимодействие микронеровностей трущихся поверхностей между собой и с абразивными частицами, попавшими в смазку. Разрушение нескольких слоев микронеровностей приводит к макроповреждениям – изменениям формы поверхности, размеров и формы деталей.

Изнашивание включает целый ряд физико-химических процессов. Происходит снятие тончайших слоев металла:

– микрорезание и смятие отдельных микронеровностей

– пластическая и упругопластическая деформация.

В результате многократного упругого деформирования микровыступов возникает усталость – образуются трещины и происходит выкрашивание поверхности.

Распределение отказов в процентах при пробеге 100 тыс. км для грузового автомобиля большой грузоподъемности и автобуса среднего класса

Таблица 2.2

Взаимодействие микронеровностей при больших давлениях и скоростях вызывает выделение тепла. Высокие локальные температуры могут достигать значений, вызывающих изменение структуры металла и повышение его хрупкости, а также приводить к термическим трещинам и даже расплавлению. Одновременно происходит молекулярное взаимодействие поверхностей, заключающееся в сращивании отдельных участков контакта микронеровностей и в переносе частичек металла с одной поверхности на другую. Химическая активность поверхностей вызывает коррозию.

Коррозия — процесс разрушения материалов вследствие физико-химического взаимодействия с внешней средой. Коррозионные поражения металлов и сплавов являются следствием окислительно-восстановительных реакций, происходящих на границе металл – газовая или жидкая среда.

Долговечность кузова автобуса и легкового автомобиля, например, во многом определяются его коррозионной стойкостью. Скорость изнашивания резко меняется в зависимости от коррозионной агрессивности среды.

Рисунок 2.1 - Виды изнашивания деталей

С целью управления процессом изнашивания деталей разработана классификация видов изнашивания деталей в зависимости от ведущих процессов разрушения поверхностей трения. Детали автомобилей подвержены практически всем видам изнашивания, которые делят на три основные группы: механическое, молекулярно-механическое и коррозионно-механическое (рисунок 2.1).

Механическое изнашивание является результатом механических действий и включает резание, царапание, деформирование, отслаивание и выкрашивание микрообъемов материала. Основными видами механического изнашивания деталей автомобилей являются: абразивное, гидро - и газоабразивное, гидро-, газо- и электроэрозионное, кавитационное, усталостное, и изнашивание при заедании.

Абразивное изнашивание состоит в основном в режущем и царапающем действии на деталь твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Царапание заключается в образовании углублений на поверхности в направлении скольжения под воздействием выступов сопряжений детали или свободных твердых частиц; при этом могут происходить многократная пластическая деформация и цикличное образование хрупкого слоя, который затем разрушается.

Изменение структуры материала происходит из-за высокого местного нагрева, ударов, неравномерного изнашивания отдельных зерен металла и т. д. В подшипники с антифрикционным слоем абразивные частицы вдавливаются и при трении увеличивают износ сопряженного вала. Абразивному изнашиванию в сочетании с другими видами подвержены практически все трущиеся детали автомобиля.

Гидроабразивному изнашиванию, происходящему под действием твердых частиц, взвешенных в жидкости и перемещающихся относительно изнашивающейся детали, подвержены водяные, топливные и масляные каналы, а также детали, смазываемые под давлением. При этом абразивными частицами являются не только частицы кварца (песка) и других соединений, попадающие на трущиеся поверхности снаружи, но и частицы нагара и продукты износа, образующиеся внутри агрегатов автомобиля.

Газоабразивное изнашивание возникает под воздействием частиц, взвешенных в газе. Этому виду изнашивания подвержены впускные и выпускные системы автомобильных двигателей, а также наружные лакокрасочные покрытия кузовов автомобилей особенно при работе в запыленных условиях. Наибольший износ трущихся поверхностей деталей автомобиля вызывают частицы кварца, поэтому обеспечение чистоты воздуха и эксплуатационных жидкостей, поступающих во внутренние полости агрегатов автомобиля, является важнейшим методом уменьшения интенсивности различных видов абразивного изнашивания.

Кавитация представляет собой образование, а затем поглощение парогазовых пузырьков в движущейся по поверхности детали жидкости при определенных соотношениях давлений и температур в переменных сечениях потока. Разрушение кавитационных пузырьков сопровождается гидравлическими ударами по поверхности детали и образованием каверн (ямок), полостей. Примером кавитационного изнашивания являются каверны, наблюдаемые на наружных поверхностях гильз цилиндров двигателя, на полостях водяных насосов.

Изнашивание при фреттинге возникает при трении скольжения соприкасающихся деталей при возвратно-поступательных перемещениях в условиях динамической нагрузки с малыми амплитудами. Такое изнашивание проявляется в заклепочных, болтовых, шлицевых и шпоночных соединениях, рессорах.

Усталостное изнашивание является механическим изнашиванием в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя детали. Усталостное разрушение проявляется в виде выкрашивания – отделения частиц материала, приводящего к образованию ямок (питтинга) на поверхности трения. Следует также отметить, что на развитие питтинга большое влияние оказывает расклинивающее действие масла (эффект акад. П. А. Ребиндера), заключающееся в разрушении поверхностных слоев высоким давлением масла при затекании его в микротрещины. На поверхностях, где возможен выход масла из усталостных трещин, питтинги практически не наблюдаются. Усталостное разрушение имеет место на поверхностях кулачков и зубьев шестерен, в подшипниках качения трансмиссии, в антифрикционном слое вкладышей подшипников коленчатого вала двигателя.

Трение потоков жидкостей и газов о поверхности деталей вызывает их эрозионное и кавитационное изнашивание. Эрозионное изнашивание является механическим видом изнашивания в результате воздействия на поверхность детали потока жидкости – гидроэрозионное изнашивание – или газа – газоэрозионное изнашивание. Гидро- и газоэрозионное изнашивания представляют собой процесс вымывания и вырыва отдельных микрообъемов материала. Топливная аппаратура дизелей, жиклеры карбюратора, клапаны газораспределения двигателей подвержены эрозионному изнашиванию.

Электроэрозионное изнашивание является видом эрозионного изнашивания поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока. Этому виду изнашивания подвержены контакты прерывателя и свечей системы зажигания автомобильного карбюраторного двигателя.

На износ некоторых деталей, особенно выполненных из одинаковых материалов, большое влияние оказывает явление местного соединения в местах контакта, происходящее вследствие действия молекулярных сил – молекулярно-механическое изнашивание. При этом происходит перенос материала, так как материал одной детали, соединившись с материалом другой сопряженной детали, отрывается от первой и остается на поверхности второй детали. Процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала называют заеданием или схватыванием.

Схватыванием рабочих поверхностей, таким образом, является изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность.

Изнашивание при схватывании рабочих поверхностей определяется свойствами материалов, трущихся деталей и зависит от скорости скольжения поверхностей, а также от температуры. Для деталей автомобиля, когда материал трущихся деталей подобран правильно, схватывание поверхностей может быть вызвано в основном повышением температуры при сухом трении и определяется налипанием и переносом частиц размягченного и даже расплавленного металла.

Схватывание рабочих поверхностей может завершаться прекращением относительного движения деталей и вызывать их задир – повреждение поверхностей трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения. Такое явление может произойти при отказах систем охлаждения и смазки автомобильных двигателей заедание и, как следствие, наблюдаться задиры поршневых колец, поршней, гильз цилиндров, коренных и шатунных подшипников.

Коррозионно-механическое изнашивание является результатом механического воздействия, сопровождаемого химическим или электрическим взаимодействием материала со средой. Для деталей автомобиля коррозия при трении в основном связана с окислением материала поверхностей деталей, т. е. ведущее значение имеет окислительное изнашивание, при котором основное влияние на изнашивание имеет химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой.

При окислительном изнашивании кислород воздуха или
растворенный в масле образует на металле окисную пленку, которая
механически удаляется при трении. Затем процесс повторяется. Пластическая
деформация поверхностных слоев усиливает окисление. Изнашивание в
условиях агрессивного действия жидкой среды имеет аналогичный механизм,
однако пленки, как правило, малостойки при трении и скорость процесса резко
возрастает. Следует отметить, что пленки окислов и других соединений из-за
неметаллической природы не способны к схватыванию. Это используют при
разработке противозадирных присадок к маслам – образующиеся достаточно
стойкие к стиранию пленки исключают молекулярное схватывание
поверхностей.

Долговечность, например, основных деталей цилиндропоршневой группы двигателя ограничивается коррозионно-механическим износом, возникающим вследствие выделения в цилиндрах из продуктов сгорания сернистой, серной, угольной, азотной и других кислот.

Изнашивание при фреттинг-коррозии наблюдается в том случае, когда изнашивание при фреттинге сопровождается агрессивным воздействием среды. Такое изнашивание может происходить в местах контакта вкладыша шеек коленчатого вала, постели в картере и крышке.

Пластические деформации и разрушения. Такие повреждения связаны с достижением или превышением пределов текучести или прочности соответственно у вязких (сталь) или хрупких (чугун) материалов. Обычно этот вид разрушений является следствием либо ошибок при расчетах, либо нарушений правил эксплуатации (перегрузки, неправильное управление автомобилем, дорожно-транспортные происшествия и т.п.). Иногда пластическим деформациям или разрушениям предшествует механическое изнашивание, приводящее к изменению геометрических размеров и сокращению запасов прочности детали.

Усталостные разрушения. Этот вид разрушений возникает при циклическом приложении нагрузок, превышающих предел выносливости металла детали. При этом происходят постепенное накопление и рост усталостных трещин, приводящие при определенном числе циклов нагружения к усталостному разрушению деталей. Совершенствование методов расчета и технологии изготовления автомобилей (повышение качества металла и точности изготовления, исключение концентраторов напряжения) привело к значительному сокращению случаев усталостного разрушения деталей. Как правило, оно наблюдается в экстремальных условиях эксплуатации (длительные перегрузки, низкие или высокие температуры) в рессорах, полуосях, рамах.

Старение. Техническое состояние деталей и эксплуатационных материалов изменяется под действием внешней среды. Так, резинотехнические изделия теряют прочность и эластичность в результате окисления, термического воздействия (разогрев или охлаждение), химического воздействия масла, топлива и жидкостей, а также солнечной радиации и влажности. В процессе эксплуатации свойства смазочных материалов и эксплуатационных жидкостей ухудшаются в результате накопления в них продуктов износа, изменения вязкости и потери свойств присадок.

Детали и материалы изменяются не только при их использовании, но и при хранении: снижаются прочность и эластичность, например, резинотехнических изделий; у топлива, смазочных материалов и жидкостей наблюдаются процессы, сопровождаемые выпадением осадков.

Техническое состояние основной доли деталей автомобилей лимитируется износом его рабочих поверхностей (рисунок 2.2). При этом интенсивность изнашивания, являющаяся отношением величины износа к наработке зависит от различных факторов. Поэтому обеспечение износостойкости рабочих поверхностей деталей требует различных мероприятий как на стадиях проектирования и изготовления автомобилей, так и при эксплуатации.

Величина износа детали увеличивается в течение всего пробега (L, тыс. км) автомобиля до предельного состояния детали, но интенсивность изнашивания (υ _И, мм/1000 км) различна на разных этапах работы (рис. 2.2).

Детали после сборки сопрягаются по выступам микронеровностей, образовавшихся при изготовлении.

Размеры деталей в пределах заданных чертежом завода-изготовителя допусков имеют отклонения, что приводит к макронеровностям деталей – овальности, конусности, неплоскостности и т. д. Фактическая площадь контакта трущихся деталей в начальный период мала, поэтому происходит их приработка (рисунок 2.2, Ι).

Приработка – это процесс изменения геометрии поверхностей трения и физико-механических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющийся при постоянных внешних условиях в уменьшении работы трения, температуры и интенсивности изнашивания.

Рисунок 2.2 – Зависимость износа и интенсивности изнашивания детали от пробега автомобиля /5/

где υ _И – интенсивность изнашивания, мм/1000 км; И – износ, мм; υ _И(L) – зависимость интенсивности изнашивания детали от наработки; И(L) – зависимость износа детали от наработки; И_пр – величина предельного износа детали; α – угол, характеризующий изменение величины интенсивности изнашивания детали; Ι – период снижающегося изнашивания детали (период приработки); Ι Ι – период установившегося изнашивания детали (период гарантийной эксплуатации); Ι Ι Ι – период увеличивающегося (аварийного) изнашивания детали (период пост гарантийной эксплуатации).

Уменьшение приработочных износов достигается работой деталей в облегченных нагрузочных и скоростных режимах, применением специальных эксплуатационных материалов (масел, присадок) и усиленной очисткой их от продуктов износа. На период приработки деталей (в течение от 1 до 5 тыс. км) назначают режим обкатки автомобиля.

Период установившегося изнашивания (рисунок 2.2, Ι Ι) характеризуется постоянной интенсивностью υ _И(L) = const и, следовательно, линейно – возрастающей прямой или близкой к ней кривой износа И при постоянном угле наклона α прямой на графике. Этот период, составляющий для различных деталей от 60 до 500 тыс. км пробега автомобиля, характеризуется стабильностью рабочих процессов, при котором происходят постепенное накопление напряжений и изменение размеров и формы детали.

В процессе эксплуатации износ рабочих поверхностей увеличивает зазоры в сопряжениях деталей, что приводит к ухудшению условий смазывания, повышению динамических, ударных нагрузок; разрушению специально обработанных износостойких поверхностных слоев. В результате интенсивность изнашивания повышается, что приводит к периоду аварийного изнашивания (рисунок 2.2, Ι Ι Ι). С целью исключения полного разрушения детали и всего сопряжения (особенно для деталей, обеспечивающих безопасность движения автомобилей) устанавливают величину предельного износа Ипр, соответствующую предельному состоянию детали на начало этого периода.

Знание основных причин изменения работоспособности и технического состояния важно как для совершенствования конструкции автомобилей, так и для выбора наиболее эффективных мероприятий по предупреждению отказов и неисправностей в эксплуатации.

Рисунок 2.3 - Зависимость изменения параметра технического состояния кулачков распределительного вала автомобильного двигателя G от наработки L /7/

где G₀ - начальное значение параметра технического состояния; G д -допустимое значение параметра технического состояния; G _пр - предельное значение параметра технического состояния; ∆ L - запас работоспособности по техническому состоянию; L _мц - величина межремонтного цикла; к_инт -коэффициент, характеризующий интенсивность изменения параметра от наработки; а – показатель динамики изнашивания.