Разбиране на механичното износване
Механично износване е постепенното отстраняване на материал от твърди повърхности чрез механично въздействие, когато тези повърхности са в относително движение под въздействие на товар. Във въртящите се машини то атакува лагери, зъбни колела, уплътнения, съединители и всеки компонент, който има контакт с плъзгане или търкаляне. За разлика от внезапното разкъсване на умора или крехко счупване, износването е постепенна деградация: то отваря хлабини, нарушава точността на размерите и променя текстурата на повърхността с течение на времето, като бавно увеличава вибрация докато не се компрометира производителността или надеждността. Тъй като всяка машина с движещи се части се износва, инженерната цел никога не е да се премахне износването, а да се контролира скоростта му.
1. Дефиниция и защо носенето е важно
Износването е неизбежно навсякъде, където повърхностите се докосват и движат, но скоростта му варира в много порядъци в зависимост от конструкцията, смазването, материалите и околната среда. Добре смазана, леко натоварена лагер на плъзгача може да работи десетилетия; същата геометрия, която е лишена от масло или е снабдена със замърсена смазка, може да се развали за броени дни. Затова контролът на износването е от основно значение за надеждността на машините, а проследяването на неговия ход е една от основите на мониторинг на състоянието и прогнозна поддръжка. Правилното проектиране, смазване, избор на материали и поддръжка не могат да спрат износването, но заедно те свеждат до минимум скоростта му и увеличават максимално живота на компонента.
2. Основни механизми на износване
Износването не е единично явление. Действат няколко различни механизма - често едновременно - всеки със своя собствена причина, външен вид и средство за отстраняване.
Абразивно износване
Най-разпространеният механизъм в промишлените машини, причинен от твърди частици или асперси, които разпиляват материала:
- Абразия на две тела: Твърдите частици или грапавата твърда повърхност остъргват по-меката противоположна повърхност, подобно на шкурка.
- Абразия с три тела: Свободните частици, попаднали между повърхностите, действат като мелеща среда.
- Външен вид: Гладки, полирани повърхности с насочени драскотини, съобразени с движението.
- Оценка: Приблизително пропорционално на твърдостта на частиците, контактното натоварване и разстоянието на плъзгане.
- Обикновено в: лагери, зъбни колела и уплътнения, изложени на замърсяване.
Износване на лепилото (изтъркване)
Възниква, когато защитният смазочен филм се разруши и металът се допре до метал:
- Механизъм: Прекият контакт метал-метал образува микроскопични студени заварки във върховете на асперите.
- Процес: Тези заварени съединения се разкъсват при продължаване на движението, като пренасят материал от едната повърхност към другата.
- Външен вид: Груби, разкъсани повърхности с размазан или пренесен материал.
- Прогресия: Веднъж започнат, той може бързо да ескалира и в тежки случаи да стане катастрофален (припадък).
- Превенция: Подходящо смазване, добавки за екстремно налягане (EP) и обработка на повърхността.
Ерозивно износване
Материал, отстранен от течаща течност, в която има увлечени частици:
- Причина: Високоскоростна течност или газ, натоварена с абразивни частици, която се удря в дадена повърхност.
- Обикновено в: работни колела на помпи, седла на клапани и огъвания на тръбопроводи.
- Външен вид: Гладко ерозирали повърхности със загуба на материал, ориентирана по посока на потока.
- Оценка: Пропорционално на скоростта на частиците, твърдостта и концентрацията.
Корозивно износване
Химическа атака, действаща съвместно с механично действие:
- Корозията образува върху повърхността оксиден или друг слоест материал.
- Механичното търкане отстранява този слой и разкрива свеж метал.
- След това корозията се възобновява върху новооткритата повърхност и цикълът се повтаря.
- Двата механизма са синергични - комбинираната скорост надвишава сумата на всеки от тях, действащ самостоятелно.
- Разпространени са в химически агресивни технологични среди.
Износване на фретинг
Възниква при интерфейси, които изглеждат неподвижни, но в действителност са микроколебания:
- Механизъм: Осцилационно движение с малка амплитуда (микрометри) между захванати повърхности при вибрации.
- Резултат: Окисни остатъци, повърхностно набраздяване и евентуално разхлабване на съединението.
- Външен вид: Червеникавокафяв (железен оксид, “какао”) или черен прах, с локални вдлъбнатини.
- Обикновено в: пресовани съединения, болтови съединения и термосвиваеми съединения, подложени на вибрации.
- Превенция: Увеличете натоварването на смущенията или натоварването на скобата, намалете вибрациите и прилагайте повърхностна обработка. Фреттингът при напасване на лагера е чест причинител на механична хлабина.
Кавитационна ерозия
- Мехурчетата с пари се сриват срещу повърхността, като предизвикват интензивни, силно локализирани скокове на налягането.
- Многократното микроструйно ударно натоварване уморява и отстранява материала.
- Често срещано при работни колела и клапани на помпи, работещи близо до или под границата на NPSH.
- Получава се характерен гъбест вид с ямички; тясно свързан с кавитация и се влошава от ниския дебит рециркулация.
3. Фактори, влияещи върху степента на износване
Условия на работа
- Зареждане: По-големите контактни натоварвания увеличават скоростта на износване, често приблизително линейно (по закона на Арчард за износването).
- Скорост: По-голямото разстояние на плъзгане за единица време увеличава загубите на материал и нагряването от триене.
- температура: По-високите температури ускоряват повечето механизми на износване и разреждат смазочния материал.
- Смазване: Подходящото смазване е най-мощната променлива, която често намалява износването с порядъци.
Свойства на материала
- Твърдост: По-твърдите повърхности издържат по-добре на абразивно износване.
- Издръжливост: Устойчив е на износване на лепилото и на повреди от удари.
- Съвместимост: Разнородните материали за свързване обикновено се износват по-слабо, отколкото еднаквите двойки, които са склонни към задиране.
- Повърхностно покритие: По-гладките повърхности обикновено се износват по-бавно, тъй като генерират по-малко триене и седят добре.
Фактори на околната среда
- Ниво на замърсяване (прах, песъчинки, частици от процеса).
- Влажност и корозивни агенти.
- Екстремни температури.
- Наличие на абразивни или химически агресивни технологични среди.
4. Откриване на износване
Тъй като износването е постепенно, най-добре е то да се улови чрез проследяване на тенденциите в няколко допълнителни параметъра, вместо да се чака аларма.
Мониторинг на вибрациите
- Постепенно увеличаване: Общите нива на вибрациите се повишават бавно в продължение на месеци или години.
- Високочестотно съдържание: Грапавите повърхности повишават широколентовите и високочестотните вибрации.
- Ефекти на изчистване: Растящата игра генерира множество хармоници на скоростта на бягане - отличителен белег за разхлабеност.
- Специфични за компонента подписи: честоти на дефектите в лагерите за износване на лагерите и честота на зацепване на зъбното колело странични ленти за носене на предавки за локализиране на източника.
Сравняване на всяко проучване със съхранен базова линия е това, което превръща тези показания в система за ранно предупреждение, и анализ на тенденциите разкрива колко бързо се влошава състоянието.
Анализ на маслото
- Броене на частици: Повишаването на концентрацията на частици е сигнал за активно износване.
- Спектрографски анализ: Елементният състав определя източника - желязо от зъбни колела, мед от лагерни сепаратори, хром от рейки.
- Ферография: Формата и морфологията на частиците разграничават износването при рязане, триене и умора.
- Тенденции: Скоростта на нарастване, а не само нивото, показва сериозността.
Измерване на размери
- Проверки на хлабините (хлабина на лагерите, зъбни колела) обратна реакция).
- Измерване на диаметъра на вала при челата на лагера.
- Измерване на дебелината на зъбните колела.
- Сравнение с новите размери и публикуваните граници на износване.
Мониторинг на температурата
- Нарастващото триене от износването повишава температурата на компонента.
- Тенденцията на температурата на лагерите и зъбните колела проследява бавното отклонение.
- Внезапната промяна на температурата често бележи прехода към силно, ускоряващо се износване.
5. Превенция и контрол
Смазване
- Най-ефективният метод за предотвратяване на износването от всички.
- Свързан смазочен филм поддържа повърхностите на разстояние една от друга.
- Използвайте правилния вискозитет за натоварването, скоростта и температурата.
- Поддържайте чистотата и подменяйте смазочните материали по график.
Контрол на замърсяването
- Ефективно уплътнение, което не позволява проникването на абразивни частици.
- Филтриране в системите за циркулиращо масло.
- Чисти практики за сглобяване и поддръжка.
- Защита на околната среда - корпуси и капаци.
Избор на материал
- Определете материали, устойчиви на износване, за задължения с висока степен на износване.
- Прилагане на повърхностни обработки - закаляване, покрития, азотиране.
- Свържете съвместими (разнородни) материали, за да избегнете образуването на нагар.
- Използвайте жертвени повърхности за износване, които са евтини и лесни за подмяна.
Оптимизация на проекта
- Намалете контактното налягане, като осигурите достатъчна лагерна площ.
- Предпочитайте контакт с търкаляне пред плъзгане, когато е възможно.
- Оптимизиране на качеството на повърхността.
- Осигурете надеждно доставяне на смазочен материал до всяка износваща се повърхност.
Анализът на вибрациите е практическата нишка, която свързва откриването с контрола, тъй като голяма част от износването се проявява първо като бавно нарастване на вибрациите. В полеви условия преносим двуканален анализатор, като например Balanset-1A позволява на техника да заснема спектри в собствените лагери на машината при работна скорост, да отделя износените лагери и износените предавки от дисбаланс, и - когато се окаже, че нарастващата вибрация е проблем на баланса, а не на износването - да я отстрани на място, без да я разглобява. За да се планира честотата на проверките, се калкулатор на живота на лагер L10 изчислява колко дълго един лагер трябва да издържи на умората от търкаляне при действителното натоварване, а a оценка на остатъчния експлоатационен живот по вибрационна тенденция проектира колко време преди износеният компонент да премине алармения си праг.
В обобщение, механичното износване е неизбежно за всяка машина с движещи се части, но скоростта му е под контрола на инженера чрез смазване, контрол на замърсяването, разумен избор на материали и добър дизайн. Следенето на хода на износването с помощта на анализ на вибрациите, анализ на маслото и проверки на размерите дава възможност за прогнозна подмяна на износените части, преди да са излезли от строя, което оптимизира както надеждността, така и разходите за поддръжка.
