Основные динамические силы, действующие в машинах роторного типа. Силы механической природы: центробежные силы, определяемые неуравновешенностью вращающихся узлов; кинематические силы, определяемые неровностью взаимодействующих поверхностей и, прежде всего, поверхностей трения в подшипниках; параметрические силы, определяемые, прежде всего, переменной составляющей жесткости вращающихся узлов или опор вращения; силы трения, которые далеко не всегда можно считать механическими, но почти всегда они являются результатом суммарного действия множества микроударов с деформацией (упругой) контактирующих микронеровностей на поверхностях трения; силы ударного вида, возникающие при взаимодействии отдельных элементов трения, сопровождающемся их упругой деформацией.
Силы гидродинамического происхождения, в основном, имеют ту же природу, что и в газовой среде, но к ним добавляются еще и пульсации давления из-за кавитации, которая при определенных условиях может возникать в потоке жидкости.
Расчеты показывают, что в существующих корпусах свыше 50% всей нагрузки на подшипник воспринимает один шарик или ролик, расположенный в данный момент на линии действия нагрузки. Такое резко неравномерное распределение нагрузки на тела качения приводит к чрезмерному повышению контактных напряжений и преждевременному выходу подшипника из строя. На долговечность подшипников влияет усталостное выкрашивание рабочих элементов подшипников, которое зависит главным образом от величины контактных напряжений. Одной из причин неудовлетворительного распределения нагрузки между телами качения является наличие посадочного зазора между отверстием корпуса и наружным кольцом подшипника и радиального зазора в подшипнике.
Подшипники качения выходят из строя вследствие чрезмерного нагрева, потери точности вращения, абразивного и коррозионного износа, разрыва сепаратора, загрязнения и заклинивания, проворачивания колец на валу и в корпусе, появления трещин на деталях. Большинство этих факторов, влияние которых в сборочных единицах машин имеет различный характер, не поддается математическому расчету, однако требует учета при эксплуатации узла.
Отказы подшипников качения происходят в результате: повреждений внутренней и внешней дорожек качения, повреждений элементов качения, повреждений или разрушения сепаратора, ослабления посадки подшипника на валу и в корпусе, увеличенного внутреннего зазора, перекоса подшипника и проблем со смазкой. На самом деле можно найти много причин, вызывающих повреждения подшипников качения. Примерно 43% подшипников выходят из строя вследствие неправильного режима смазки, т.е. ее избытка или недостатка, а также в результате загрязнения смазки. 27% связаны с неправильной установкой подшипника, перекосами, дефектами монтажа, неправильной сборкой. Следующие 24% включают: неправильное применение подшипников и повышенную вибрацию. Только 9% подшипников выходят из строя вследствие естественного износа.
Если проанализировать формулы, определяющие срок службы подшипника в зависимости от нагрузки, то очевидно, что срок службы подшипника резко сокращается при превышении нагрузки, установленной техническими условиями. Другим фактором, определяющим срок службы, является частота вращения. На срок жизни подшипника может повлиять и вибрация, повышение вибрации машины от 5 до 10 мм/с может сократить срок службы подшипника почти на 70 %.
В подшипниках с недостаточным зазором тела качения остаются защемленными, теряется возможность самоцентровки. Недостаточный радиальный зазор, повышенная жесткость подшипника при наличии отклонений в кольцах и деталях качения от правильной геометрической формы, является причиной перегрузки деталей подшипника и снижением его долговечности. Повышенный радиальный зазор неблагоприятен в отношении равномерности распределения нагрузки по телам качения.
Недостаток смазки и большие давления приводят к проскальзыванию контактирующих поверхностей, вызывая появление касательных нагрузок, достигающих больших значений, что приводит к пластическому смещению целых участков поверхности с разрывами и надирами.
"Масляное голодание" приводит к оплыванию и изнашиванию тел качения, наволакиванию материала на поверхности беговых дорожек, изнашиванию сепаратора. Быстрый выход из строя подшипников в режиме "масляного голодания" особенно характерен для высоко скоростных, тяжелонагруженых опор.
Типичные повреждения рабочих поверхностей зубчатых передач определяются конструкцией и особенностями эксплуатации. Силы, действующие на зубья, вызывают их изгиб, сжатие и тангенциальные деформации за счет трения в зоне контакта. Циклическое изменение этих сил, а также изгибающие и контактные напряжения, вызванные этими силами, являются причиной поломки зубьев и усталостного выкрашивания их рабочей поверхности. Трение, возникающее в зоне контакта зубьев, вызывает их износ и заедание.
Виды повреждений зубчатых передач: изменение геометрии рабочих поверхностей в результате механического, абразивного, усталостного изнашивания и схватывания сопряженных поверхностей, вследствие чего развиваются повреждения — абразивное изнашивание, усталостное выкрашивание, заедание, задиры, сколы, трещины.
Поломка зубьев — наиболее опасный вид разрушения. Она про-исходит из-за возникающих в зубьях повторно-переменных напряжений при деформации изгиба. Поломка зубьев может происходить в результате больших перегрузок ударного и статического характера, а также усталостного разрушения от действия переменных напряжений в течение длительного срока службы. Трещины усталости возникают у основания зуба из-за неучтенных расчетом перегрузок. Перенапряжение зубьев может вызывать концентрацию нагрузки по длине зуба вследствие неправильного монтажа (чаще всего непараллельности валов), а также из-за грубой обработки поверхности впадин зубьев, заклинивания зубьев при нагреве передачи и недостаточной величине боковых зазоров. Чаще всего наблюдаются отколы углов зубьев, связанные с концентрацией нагрузки.
Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев — наиболее распространенный эксплуатационный вид повреждения закрытых передач. Возникает оно в результате действия повторно-переменных контактных напряжений в поверхностных слоях материала. В зубчатых передачах, работающих при высоких контактных напряжениях, главным образом на ножках и у полюсной линии, появляются веерообразные микротрещины, которые, развиваясь вглубь по кругу, замыкаются, что и приводит к явлению выкрашивания. Стимулирует выкрашивание смазка, попадающая в трещины. Вследствие клиновидности трещины давление смазки возрастает по глубине и достигает максимального значения у вершины трещины. Прогрессирующий износ вызывает искажение профиля и приводит к снижению ресурса зубчатой передачи.
Абразивный износ зубьев — основной вид разрушения отрытых передач. Вид поверхности — ряд мелких параллельных полос, перпендикулярных оси колеса. Износ поверхностного слоя, имеющего наибольшую твердость, приводит к значительному увеличению скорости изнашивания. В процессе износа уменьшается размер зуба по толщине, увеличиваются зазоры в зацеплении, нарушается эвольвентность рабочего участка профиля зуба.
Пластические сдвиги наблюдаются у тяжелонагруженых зубчатых колес, выполненных из мягкой стали. На поверхности таких зубьев при перегрузке появляются пластические деформации с последующим сдвигом. Задир зубьев возникает при нарушении сплошности масляной пленки, в случае появления металлического контакта между рабочими поверхностями зубьев, сопровождается нагревом металла вплоть до сваривания микрообъемов металла. Это приводит к появлению борозд, расположенных на рабочей поверхности зубьев, перпендикулярно оси колеса. При загрязненной смазке твердые частицы, попадая в зону контакта сопряженных поверхностей, под давлением внедряются в тело зубьев и вызывают дополнительное истирание поверхности.
В начальный период из-за неточностей изготовления, монтажа нагрузка на их отдельных участках распределяется неравномерно. Это приводит к местному разрушению масляной пленки, смятию и истиранию неровностей на наиболее нагруженных участках, на поверхности зубьев появляются натиры с металлическим блеском.
Наибольший износ рабочих поверхностей наблюдается на ножках зубьев, где имеет место максимальное скольжение. Самый быстроразвивающийся вид повреждения — разрушение начинается с образования трещины и заканчивается сколом или поломкой зубьев. Трещины начинают появляться в основании зубьев на стороне растянутых волокон и располагаются перпендикулярно рабочим поверхностям зубьев. Возникновение трещин приводит с течением времени к разрушению зубьев и часто к повреждению других деталей механизма из-за попадания в них кусков зубьев.
В червячных передачах витки червяка изнашиваются значительно больше, чем зубья червячного колеса. В цилиндрических передачах наблюдается более интенсивный износ зубьев шестерен, нежели зубьев колес.