Кавитационное изнашивание

Кавитационное изнашивание относится к механическому изнашиванию при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, создавая местное высокое ударное давление или высокую температуру.

Кавитация дословно означает полость, пустота. Под кавитацией понимают явление образования в движущемся по поверхности твердого тела потоке жидкости полостей в виде пузырьков, наполненных парами, воздухом или газами, растворенными в жидкости и выделившимися из нее.

Явление кавитации обусловлено следующим:

– в движущемся с большой скоростью потоке жидкости при его сужении и наличии препятствий на его пути давление падает до давления насыщенных паров;

– происходит разрыв (нарушение сплошности) потока жидкости, зависящей от сопротивления жидкости растягивающим усилиям;

– образовавшаяся пустота заполняется паром и газами, выделившимися из жидкости; при этом воздух, вовлекаемый в поток жидкости, облегчает возникновение кавитации;

– образовавшиеся парогазовые пузырьки размерами порядка десятых долей миллиметра, перемещаясь вместе с потоком жидкости, попадают в зоны высоких давлений;

– в зонах высоких давлений пар конденсируется, газы растворяются и в образовавшиеся пустоты с большим ускорением устремляются частицы жидкости; в результате этого происходит сопровождаемое ударом восстановление сплошности потока жидкости.

Кавитация наблюдается в трубопроводах, в потоках жидкости, обтекающих лопатки центробежных насосов и лопасти гидравлических турбин и гребных винтов. Кавитация вызывает вибрации, стуки, сотрясения. Это, в свою очередь, приводит к ослаблению соединений, обрыву болтов, смятию резьб, фрикционной коррозии стыков, нарушению уплотнений и усталостным повреждениям. Кавитация снижает КПД машин, гребных винтов и вызывает механическое разрушение поверхностей деталей в зоне ее действия. Она способствует закоксовыванию распылителей форсунок двигателей внутреннего сгорания.

Трудно обтекаемая форма и неровности, образовавшиеся вследствие кавитационного изнашивания, приводят к образованию вихрей и отставанию струй от стенок рабочих каналов. Это способствует возникновению или усилению кавитации.

Кавитационное изнашивание проявляется в следующем. Под действием ударов поверхность металла начинает деформироваться и подвергаться наклепу; появляются линии сдвига, выявляются границы отдельных зерен. Многократно повторяющиеся удары вызывают разупрочнение и наклеп материала на отдельных микроучастках, сопровождающиеся возникновением очагов разрушения в виде трещин. Разрушается прежде всего менее прочная структурная составляющая (в сталях – феррит, в чугунах – графитовые включения). Затем может последовать выкрашивание и более прочных составляющих. Разрушение развивается в пределах зерен или по их границам в зависимости от прочности зерен и связи между ними.

Агрессивные среды, например морская вода, способствуют увеличению интенсивности кавитационного изнашивания. Однако решающая роль принадлежит механическим разрушениям. Скорость кавитационного изнашивания может быть в сотни раз и больше скорости коррозионного разрушения поверхностного слоя.

Интенсивность кавитационного изнашивания зависит от температуры, свойств жидкости и материала деталей. Влияние вязкости жидкости на кавитационное изнашивание незначительно. С увеличением поверхностного натяжения изнашивание происходит более интенсивно. Введение в воду веществ, образующих (масла) и способствующих (эмульгаторы) образованию эмульсий, понижает поверхностное натяжение жидкости и снижает кавитационное изнашивание. Наибольшая интенсивность изнашивания наблюдается в воде при температуре 50 °С.

Вибрационная кавитация. При колебании твердого тела относительно жидкости или наоборот давление в жидкости на границе раздела сред может уменьшаться до давления насыщенных паров и вызвать образование кавитационных пузырей. Условия кавитации зависят от внешнего давления на систему и насыщенности жидкости воздухом. Вибрационную кавитацию могут вызвать звуковые колебания, еще в большей степени ультразвуковые колебания. При вибрации возможна кавитация в тонком смазочном слое между поверхностями, приводящая к выкрашиванию материала вкладышей подшипников скольжения, поверхностей зубьев зубчатых колес и т.д.

Вибрационная кавитация может иметь место в двигателях внутреннего сгорания, особенно на наружных поверхностях гильз вследствие их колебаний от ударов поршня. Износ от вибрационной кавитации на наружной поверхности гильзы может быть в 3-4 раза больше, чем износ внутренней поверхности от действия поршневых колец.

5.6. Гидроэрозионное (газоэрозионное) изнашивание

Под эрозией понимается процесс поверхностного механического разрушения различных тел под воздействием высокоскоростного потока жидкости или газа.

Эрозионное воздействие высокоскоростного потока жидкости или газа слагается из трения сплошного потока и его ударов о поверхность. В результате трения происходит расшатывание и вымывание отдельных объемов материала. В данном случае интенсивности изнашивания мала. В большей степени поверхности деталей машин и оборудования разрушаются при динамическом воздействии потоков жидкости или газа. В зависимости от свойств материала возможны вырывы отдельных объемов или групп зерен с неблагоприятной ориентацией по отношению к приложенным силам. В пластичных материалах, склонных к наклепу, вначале накапливаются микроскопические деформации на отдельных участках. При исчерпании материала к упрочению (наклепу) данные участки вымываются. Жидкость, внедряющаяся при ударах в микротрещины, расклинивает их стенки.

Развитие эрозии на гладкой поверхности в начальный период незначительно, но после появления пораженных мест эрозия усиливается. Это связано с повышением хрупкости поврежденного поверхностного слоя в связи с накоплением микротрещин, расклинивающим действием потока жидкости или газа и усилением ударного воздействия из-за значительного вихреобразования у поверхности.

Разрушению от эрозии часто подвергаются рабочие кромки золотников гидравлических агрегатов. Струи топлива, проникая с большой скоростью во время отсечки в зазор между цилиндрическими поверхностями золотника и втулки, разрушают металл у рабочей кромки. Это случай щелевой эрозии. Ему также подвержены клапаны запорных и регулирующих устройств гидравлических и паровых систем. Часто эрозионное изнашивание начинается с микроцарапин, возникающих при схватывании поверхностей трения.

Часто эрозия протекает совместно с коррозией. Коррозионно-эрозионное изнашивание представляет собой разновидность коррозионно-механического изнашивания. Газовая коррозия и эрозия действуют совместно, например, в выпускных клапанах высоконапряженных деталей двигателей внутреннего сгорания и на входных кромках лопаток компрессора газотурбинных двигателей.

Также может происходить кавитационно-эрозионное разрушение поверхности. Данному виду разрушения подвергается, например, плоская поверхность золотника плунжерного насоса высокого давления.