Виды повреждений износостойких деталей: анализ трещин, износа и разрушения

Почему изнашиваемые детали выходят из строя: схема диагностики

Поверхности излома, характер износа, место отказа и срок эксплуатации дают сведения о причинах отказа изнашиваемой детали дробилки. Замена детали без исследования этих данных оставляет причины неустранёнными и может приводить к повторному преждевременному износу, внеплановым простоям и росту затрат.

Руководство предлагает системный подход к определению пяти основных видов отказов изнашиваемых деталей дробилок. Диагностика помогает операторам и инженерам по обслуживанию выбрать меры для увеличения срока службы, сокращения простоев и снижения затрат на тонну. Общие вопросы рассмотрены в руководстве по снижению эксплуатационных затрат дробилки.

Пять основных видов отказов

Отказы изнашиваемых деталей дробилок можно разделить на пять основных механизмов. Их различение — первый шаг к эффективной диагностике и предотвращению.

Вид отказа первый: хрупкое разрушение

Механизм и признаки

Хрупкое разрушение происходит, когда трещина распространяется быстрее, чем пластическая деформация поглощает высвобождающуюся энергию. Отказ внезапный, почти без предварительных признаков. Поверхность излома часто имеет кристаллический или зернистый вид и острые края.

Этот вид опасен, поскольку отказ может произойти почти без предупреждения. Футеровка может внезапно разрушиться, когда ударная нагрузка повышает коэффициент интенсивности напряжений у вершины трещины выше вязкости разрушения (KIc).

Основные причины

• Неподходящий выбор материала — применение материала с недостаточной вязкостью при ударах, превышающих ограничения материала и конструкции отливки. Вязкость разрушения зависит от марки, термообработки, образца и метода испытания; используйте применимый стандарт и отчёт о материале.
• Попадание постороннего металла — зубья экскаваторов или буровые штанги в дробилке могут создавать сильные мгновенные удары, превышающие несущую способность детали.
• Дефекты литья — внутренняя усадка, пористость или неспаи могут концентрировать напряжения и зарождать трещины. На необработанной поверхности отливки они часто не видны.
• Неправильная термообработка — неотпущенный мартенсит хрупок. Закалка без требуемого отпуска может оставлять высокие остаточные напряжения и низкую вязкость разрушения.
• Работа при отрицательной температуре — некоторые материалы теряют вязкость при низких температурах, но критическая температура зависит от сплава, термообработки, сечения и нагрузки. Устанавливайте требования к ударным испытаниям для минимальной расчётной температуры.

Меры предотвращения

1. Подбирайте материал под условия работы — для высоких ударных нагрузок оценивайте марганцовистую или мартенситную легированную сталь вместо выбора высокохромистого чугуна только по твёрдости. Подбор по применению описан в руководстве по выбору бил
2. Обеспечьте защиту от постороннего металла — магнитная сепарация перед дробилкой и металлодетекторы на питающих конвейерах помогают ограничить риск разрушения от ударов.
3. Задайте неразрушающий контроль — для ответственных деталей задавайте ультразвуковой или радиографический контроль внутренних дефектов литья.
4. Проверяйте термообработку — запрашивайте результаты измерения твёрдости, а для ответственных применений — металлографию для оценки состояния после термообработки.
5. Рассмотрите низкотемпературные марки — для холодного климата задавайте марки, прошедшие ударные испытания при низких температурах.

Вид отказа второй: пластическая деформация

Механизм и признаки

Пластическая деформация возникает, когда приложенное напряжение превышает предел текучести материала и необратимо изменяет его форму. Поверхности вдавливаются, изгибаются или сплющиваются, а не разрушаются или истираются. В отличие от хрупкого разрушения, деформация часто развивается постепенно и видна до серьёзного отказа.

Этот вид связан с деталями из марганцовистой стали, получающими недостаточные удары для наклёпа. В исходном сравнении указана начальная твёрдость 200-220 HBW. При недостаточной ударной нагрузке поверхность может оставаться относительно мягкой и деформироваться под сжатием при дроблении.

Диагностические признаки

• Прокованные или сплющенные поверхности — поверхность выглядит расплющенной ударами, а не гладко истёртой.
• Завальцованные кромки — кромки футеровки или била выворачиваются наружу под сжатием.
• Искажение размеров — видимые изменения формы с выпучиванием или сжатием в зонах высоких напряжений.
• Низкая измеренная твёрдость — измеренная поверхностная твёрдость ниже 300 HBW там, где ожидался наклёп.

Если детали из марганцовистой стали пластически деформируются, оцените более твёрдый материал, не зависящий от наклёпа, например высокохромистый чугун или мартенситную сталь, либо пересмотрите положение дробилки в схеме и энергию удара её питания.

Вид отказа третий: абразивный износ

Механизм и признаки

Абразивный износ — распространённый механизм, развивающийся постепенно. Твёрдые частицы питания, часто кремнезём, кварц или другие твёрдые минералы, прорезают, царапают или срезают рабочую поверхность. Соотношение твёрдости частиц и поверхности влияет на скорость износа.

Когда абразивные частицы намного твёрже рабочей поверхности — как при сравнении кварца HV 1000-1200 с марганцовистой сталью после наклёпа ~500 HBW — повторные контакты удаляют материал. За тысячи рабочих часов толщина деталей постепенно уменьшается.

Две формы абразивного износа

Исследование первопричин

Если абразивный износ быстрее ожидаемого, исследуйте:

• Содержание кремнезёма в питании — содержание кварца, форма и размер частиц влияют на износ, но величина влияния требует испытаний руды и записей с объекта. Регулярно контролируйте состав питания.
• Крупность питания — крупные частицы образуют задиры и глубокие борозды; мелкие — царапины и полированные поверхности. Более крупное питание обычно вызывает больший износ на тонну.
• Несоответствие твёрдости — твёрдость абразива и детали, вязкость, микроструктура и условия контакта совместно определяют износ. Постоянное соотношение разных шкал твёрдости не позволяет прогнозировать срок службы на объекте.
• Скорость скольжения — большая относительная скорость скольжения питания по рабочей поверхности увеличивает удаление материала.
• Влажность — влага изменяет перенос частиц, адгезию, коррозию и износ в пульпе. Определяйте её влияние по химическому составу пульпы, крупности частиц и контролируемым сравнениям на объекте.

При абразивном износе оцените более твёрдый материал. Высокохромистые чугуны, например Cr26/Cr28, содержат карбиды хрома с указанной твёрдостью HV 1400-1800 и могут лучше противостоять абразивному воздействию кварца, чем марганцовистая сталь. См. руководство по высокохромистому чугуну.

Вид отказа четвёртый: адгезионный износ

Механизм и признаки

Адгезионный износ, также называемый задирами или размазыванием материала, возникает при скольжении металлических поверхностей под высоким контактным давлением. Образуются микроскопические соединения, затем при дальнейшем скольжении они срезаются, перенося мелкие фрагменты с одной поверхности на другую.

Этот вид реже встречается на рабочих поверхностях первичных дробилок, но важен для отдельных узлов:

• Эксцентриковые втулки конусной дробилки — скользящий контакт между эксцентриковыми компонентами и втулками при высоких сжимающих нагрузках.
• Распорные плиты и опоры щёковой дробилки — скользящий контакт между распорной плитой и её опорой.
• Втулки траверсы гирационной дробилки — колебательный контакт между главным валом и втулкой траверсы.

Диагностика и предотвращение

Адгезионный износ образует поверхности с размазанным материалом, вырывами или задирами. Ищите перенесённый металл, налипший на одну поверхность, и участки, где металл вырван с другой.

Меры предотвращения включают:

• Правильная смазка — поддерживайте достаточную плёнку пластичной смазки или масла между скользящими поверхностями как основную защиту от адгезионного износа.
• Подбор пар материалов — по возможности избегайте одинаковых или очень сходных сопряжённых материалов; разнородные пары могут снизить склонность к задирам.
• Обработка поверхности — оцените упрочнение, хромирование или нанесение покрытия из другого материала на одну из скользящих поверхностей.
• Контроль зазоров — поддерживайте подходящие рабочие зазоры для предотвращения вредного металлического контакта под нагрузкой.

Вид отказа пятый: термическая усталость

Механизм и признаки

Повторные нагрев и охлаждение вызывают тепловое расширение и сжатие, создавая переменные растягивающие и сжимающие напряжения на поверхности. Со временем они могут образовать мелкую сетку трещин, называемую сеткой термических трещин или термическим растрескиванием.

Термическая усталость связана с термоциклированием и может повреждать изнашиваемые детали в определённых применениях:

• Мельницы самоизмельчения (AG) и полусамоизмельчения (SAG) — фрикционный нагрев при взаимодействии крупных кусков породы может создавать температурную разницу между поверхностью футеровки и объёмом материала.
• Охладители цементного клинкера — температурная разница между горячим клинкером и охлаждающим воздухом подвергает колосниковые плиты и дробящие брусья интенсивным термическим циклам.
• Переработка горячей руды — дробление горячего агломерата или обожжённого материала.

Интерпретация характера трещин

Характер трещин помогает оценить развитие и тяжесть термической усталости:

Меры предотвращения

• Выбор материала — оцените материалы с меньшим тепловым расширением и повышенной стойкостью к термической усталости, включая подходящим образом модифицированные мартенситные сплавы.
• Улучшение конструкции — избегайте острых углов и резких изменений сечения, концентрирующих термические напряжения; предусматривайте достаточные радиусы галтелей.
• Тепловое регулирование — используйте подходящую систему охлаждения, например распыление воды или принудительную подачу воздуха, для ограничения амплитуды термических циклов при горячих процессах.
• Эксплуатационные приёмы — избегайте резких пусков и остановок в схемах горячего дробления и обеспечивайте постепенную тепловую стабилизацию.
• Варианты покрытий — теплозащитные покрытия могут уменьшать температурные колебания, воспринимаемые основным материалом.

Пошаговый метод диагностики

При отказе изнашиваемой детали используйте следующую схему исследования:

1. Документируйте отказ — сфотографируйте деталь с разных сторон перед снятием. Запишите часы работы, материал питания и нештатные события, например попадание металла, отключение питания или прекращение подачи.
2. Осмотрите поверхности излома и износа — используйте таблицы выше для классификации повреждений и выявления характерных признаков.
3. Измерьте твёрдость — испытайте изношенные и неизношенные участки, например тыльную сторону футеровки, и сравните с заданными требованиями к твёрдости.
4. Проверьте наличие дефектов литья — при хрупком разрушении осмотрите очаг на наличие усадочных раковин, пористости или включений.
5. Изучите историю эксплуатации — сравните срок службы с предыдущими деталями той же дробилки при тех же условиях работы. Резкое сокращение требует проверки как изменений режима, так и проблем материала.
6. Определите корректирующие действия — выбирайте изменения материала, конструкции или режима по выявленному механизму и причинам, подкреплённым данными.

Пример диагностики: преждевременное растрескивание футеровки конусной дробилки

Если неподвижный конус Metso HP500 трескается преждевременно, совместно оцените поверхность излома, твёрдость, химический состав, записи термообработки, состояние питания и записи о постороннем металле. Ниже показана последовательность исследования; это не случай с объекта с опубликованными данными проверки.

Проверки при исследовании:

• Морфология излома: Запишите очаг трещины, направление распространения и признаки излома. Только по внешнему виду нельзя определить марку материала или единственную причину.
• Измерение твёрдости: Если твёрдость неизношенной тыльной стороны составляет 280 HBW при закупочном диапазоне приёмки 220–260 HBW, результат превышает этот диапазон. Повторно проверьте место измерения, метод и состояние после термообработки. Одна твёрдость не доказывает ошибочную маркировку Mn18 как Mn13; сверяйте марку по спектрометрическому химическому анализу, сертификатам плавки и применимому стандарту.
• Анализ питания: Проверьте крупность, распределение, влажность питания и записи о постороннем металле, чтобы установить наличие нештатных ударов.
• Анализ эксплуатации: Проверьте профиль камеры, разгрузочную щель, центрирование питания и уровень заполнения, не предполагая, что недостаточная подача — единственная причина.

Не связывайте отказ с ошибочной маркировкой материала или одним эксплуатационным фактором без химического анализа, записей термообработки, исследования излома и эксплуатационных данных. Проверка и корректирующие действия включают:

1. Сверяйте марку, сертификат плавки, спектрометрический состав, записи термообработки и твёрдость в заданных точках с чертежом и закупочной спецификацией.
2. Оцените соответствие существующих средств удаления и обнаружения металла рискам объекта. Дополнительное оборудование требует оценки процесса и безопасности.
3. Сверьте распределение питания, уровень заполнения, разгрузочную щель и стратегию управления с требованиями изготовителя, затем оцените регулировки по эксплуатационным записям.

Проверка: при сопоставимых условиях записывайте сертификат материала пробной детали, твёрдость, накопленный тоннаж, морфологию износа и трещины, затем сравнивайте с исходной деталью. Не указывайте процент увеличения срока службы без прослеживаемых записей с объекта.

Этот диагностический пример показывает, что ни маркировка, ни одно измерение твёрдости не определяют марку. Совместно оценивайте спектрометрический состав, сертификаты плавки, записи термообработки, твёрдость в заданных точках и применимый стандарт.

Вопросы и ответы

Комплексный выбор

Понимание механизмов отказа помогает принимать практические решения по затратам и надёжности. Основные положения:

1. Определяйте механизм до выбора мер — правильная классификация является первым шагом к предотвращению.
2. Подбирайте материалы под преобладающий механизм износа — соответствие материала условиям работы помогает уменьшить преждевременные отказы. См. руководство по выбору изнашиваемых деталей конусной дробилки
3. Проверяйте поставленный материал — твёрдость служит для предварительной оценки, а не самостоятельного определения марки. Сопоставляйте её с химическим составом, сертификатами плавки, термообработкой и требуемой металлографией согласно закупочной спецификации. См. руководство по контролю качества
4. Поддерживайте стабильные эксплуатационные приёмы — качество материала не компенсирует плохой контроль питания, недостаточную защиту от постороннего металла или плохое обслуживание.

Анализ отказов бил приведён в руководстве по билам ударной дробилки. Свяжитесь с нашей инженерной командой для бесплатной консультации по анализу отказов. Отправьте фотографии повреждённой детали, чтобы мы оценили механизм и предложили дальнейшие проверки и корректирующие меры.