Кавитационное изнашивание

Повреждение пластины клапана аксиально-поршневого гидронасоса в результате кавитационного изнашивания

Кавитацио́нное изна́шивание (разруше́ние) — механическое изнашивание в условиях движения твёрдого тела в жидкости, во время которого пузырьки газа дезинтегрируются (разрушаются, взрываются) вблизи поверхности, что приводит к созданию локального высокого ударного давления или высокой температуры. Кавитационные разрушения имеют локальный характер и проявляются в образовании местных углублений и каверн.

Природа явления

Кавитационное изнашивание обусловлено тем, что в скоростном потоке жидкости при его сужении или при наличии препятствия на его пути давление может уменьшиться до значения, соответствующего давлению насыщенного пара при данной температуре. При этом может произойти разрыв сплошного потока. Образующиеся полости заполняются паром или газами, которые выделяются из жидкости. Образовавшиеся парогазовые пузырьки размерами порядка десятых долей миллиметра, перемещаясь вместе с потоком, попадают в зоны высоких давлений. Пар конденсируется, газы растворяются, и в образовавшуюся полость с большим ускорением попадают частицы жидкости, происходит восстановление сплошности потока, которое сопровождается ударом.

Кавитационное изнашивание проявляется в следующем. Под действием ударов поверхность металла начинает деформироваться и подвергаться наклёпу; появляются линии сдвига, проявляются границы отдельных зёрен. Многократно повторяемые удары вызывают разупрочнение и наклёп материала на отдельных микроучастках, что сопровождается зарождением трещин. Разрушается в первую очередь наименее прочная структурная составляющая (в сталях — феррит, в чугунах — графитовые включения). Затем может наступить выкрашивание и более прочных компонентов. Разрушение развивается в пределах зёрен или на их границах в зависимости от прочности зёрен и связи между ними.

Агрессивные среды (например, морская вода) способствуют увеличению интенсивности кавитационного изнашивания. Скорость кавитационного изнашивания может в сотни раз и более превышать скорость 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 жидкости изнашивание происходит интенсивнее.

Проявление кавитационного изнашивания

Кавитационному изнашиванию (разрушению) подвергаются трубопроводы, гидродвигатели, лопасти гидравлических турбин и насосов, гребные винты, внешние поверхности цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.

Явление кавитации вызывает вибрации, удары и сотрясения, которые приводят к ослаблению крепёжных элементов, срыву болтов, смятию резьбы, разрушению уплотнений и усталостному разрушению соединений.

Кавитация уменьшает КПД машин и гребных винтов и непосредственно вызывает разрушение поверхностей деталей в зоне её действия. Она способствует закупориванию распылителей форсунок двигателей внутреннего сгорания.

Предотвратить кавитацию можно, проектируя гидромеханическую систему так, чтобы во всех точках потока давление не было ниже давления парообразования. Добавление в воду веществ, образующих эмульсии (масла и эмульгаторы), уменьшает поверхностное натяжение и, соответственно, кавитационное изнашивание. При температуре воды 50°С соответствует наибольшая интенсивность изнашивания.

Отклонения от обтекаемой формы и неровности, образовавшиеся вследствие кавитационного изнашивания, приводят к появлению вихрей и отклонению струй от стенок рабочих каналов. Это способствует возникновению или усилению кавитации.

Стойкость материалов к кавитационному изнашиванию

Кавитационная стойкость материала определяется его составом и структурой. Повышение содержания углерода в углеродистой стали увеличивает её стойкость, но, начиная с 0,8 % C, она начинает уменьшаться. Никель и хром в стали также повышают её стойкость. Упрочнение поверхностей (закалка с нагревом СВЧ, цементация) значительно повышают кавитационную стойкость сталей. То же самое можно сказать и о покрытии хромом. Латунь также очень стойка к кавитационному изнашиванию благодаря своим свойствам. Хорошую кавитационную стойкость имеют резиновые покрытия.

Вибрационная кавитация

При колебаниях твёрдого тела относительно жидкости или жидкости относительно твёрдого тела давление в жидкости на границе раздела жидкости и твёрдого тела может уменьшиться и вызвать образование кавитационных пузырьков. Условия вибрационной кавитации (так иногда называют это явление) зависят от внешнего давления на систему и степени насыщения жидкости воздухом.

Вибрационную кавитацию могут вызывать звуковые (ультразвуковые) колебания. Звуковые волны ускоряют окислительно-восстановительные реакции, определяют внутримолекулярные перегруппировки веществ, усиливают диспергирование, ускоряют процессы мойки и обезжиривания поверхностей и вызывают коагуляцию мелких частиц. При вибрации не исключается кавитация в тонком смазочном слое между поверхностями, которая может привести к выкрашиванию материала подшипников скольжения, зубьев колёс и поверхностей других деталей.

Вибрационная кавитация проявляется, например, и в двигателях внутреннего сгорания, особенно на внешних поверхностях гильз в результате их колебаний от ударов поршня. Износ от кавитации внешней стенки гильзы может быть в 3…4 раза больше, чем износ внутренней поверхности от взаимодействия с поршневыми кольцами. Большую опасность представляет при этом кавитационное разрушение опорных поясков гильз и блока цилиндров, что приводит к проникновению охлаждающей жидкости в полость цилиндра и картер двигателя.

Литература

• Костецкий Б. И. Трение, смазка и износ в машинах [Текст] / Б. И. Костецкий. — К.: Техніка, 1970. — 396с.
• Кондрачук М. В. Трибологія / М. В. Кондрачук, В. Ф. Хабутель М. І., Пашечко Є. В. Корбут. — К.: Вид-во Національного Авіаційного університету «НАУ-друк», 2009. — 232 с.
• Закалов О. В. Основи тертя і зношування в машинах: Навчальний посібник. Архивировано из первоисточника 1 жовтня 2014. / О. Закалов, І. Закалов. — Тернопіль: Видавництво ТНТУ ім. І.Пулюя, 2011. — 322 с.

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Руниверсалис» («Руни», руни.рф) под названием «Кавитационное изнашивание», расположенная по адресу: — https://руни.рф/index.php/Кавитационное_изнашивание Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC BY-SA. Всем участникам Руниверсалиса предлагается прочитать «Обращение к участникам Руниверсалиса» основателя Циклопедии и «Почему Циклопедия?».