книги / Методы расчета ресурса работы элементов машин

УДК 621.9 С72

Рецензенты:

президент ООО «Пермская компания нефтяного машиностроения» д-р техн. наук,

проф. Е.Д. Мокроносов;

гл. науч. сотрудник ООО «ВНИИБТ – Буровой инструмент», д-р техн. наук, проф. Ю.А. Коротаев

Методы расчета ресурса работы элементов машин : учеб.

С72 пособие / В.А. Спирин, В.Ф. Макаров, И.Н. Мазеина, О.А. Халтурин. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.

ун-та, 2018. – 139 с.

ISBN 978-5-398-02072-4

Представлен современный теоретический и практический материал по расчету надежности и ресурса работы элементов машин. Приведены улучшенные методики расчета и практическое приложение по известным литературным данным. Показаны перспективы дальнейшего совершенствования и расширения использования данных методик для расчета ресурса работы абразивных инструментов.

Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 15.03.01 «Машиностроение», 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», 15.04.01 «Машиностроение», 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», и может быть полезно специалистам предприятий и аспирантам.

УДК 621.9

ВВЕДЕНИЕ

Надежность является одним из показателей качества изделий или процессов и входит в перечень обязательных видов испытаний. Исторически испытания на надежность прошли путь от ресурсных испытаний, испытаний по данным эксплуатации, форсированных испытаний до испытаний на технологическую надежность.

Расчет и прогнозирование возможного поведения машин в предполагаемых условиях эксплуатации и технологическое обеспечение заданных показателей качества являются основой для управления надежностью и обеспечения ее требуемого уровня.

Ресурс должен рассчитываться уже на стадии проектирования, чтобы давать представление о том, насколько конструкция, технология и условия эксплуатации будут обеспечивать желаемые показатели надежности.

Проблема надежности связана в первую очередь именно с прогнозом, так как констатация того или иного уровня надежности для машины, уже отработавшей свой ресурс, имеет весьма малую ценность.

Использование физических закономерностей, описывающих изменение начальных свойств изделия (в первую очередь при изнашивании), позволило получить модели для оценки изменений работоспособности технологической системы и рассмотреть влияние основных факторов, определяющих ресурс.

В настоящее время в инженерной практике применяются упрощенные методы расчета ресурса с учетом лишь отдельных компонентов. Такое положение объясняется чрезвычайной сложностью проблемы расчета ресурса технологической системы, так как расчетная зависимость носит весьма сложный характер.

Важным становится рассмотрение возможности учета всех факторов при расчете ресурса. По сути, подобное прогнозирование срока службы стало возможным благодаря появлению современных вычислительных средств.

4

Настоящая работа базируется на уже разработанных подразделах теории надежности: общих моделях формирования отказа и потери машиной работоспособности, теории расчета сопряжений и механизмов на износ, методов исследования технологической надежности оборудования.

Основная цель работы – на основании уже существующих зависимостей для ресурса работы оборудования предложить новые улучшенные варианты решения проблем надежности, т.е. разработать такие методы прогнозирования и расчета ресурса и вывести такие расчетные зависимости, которые учитывали бы действие большинства параметров процесса изнашивания.

Вработе исследовано изменение ресурса работы конкретных сопряжений в зависимости от значений этих параметров и характера протекания процесса износа во времени (при постоянной и переменной скорости), что позволяет определить степень и приоритетность влияния факторов.

Впроцессе выполнения работы использованы методики и материалы публикаций В.В. Белоусова, Г.Д. Григорьяна, И.Н. Животкевича, Ю.П. Кирдеева, Ф.И. Кузьмина, А.П. Моргунова, А.С. Проникова, Д.Н. Решетова. Улучшенные варианты расчета надежности опробовались на данных испытаний, опубликованных в работах

[13], [15], [17].

Авторы выражают благодарность профессору кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» Пермского государственного

технического университета А.И. Лурье за большой вклад в разработку улучшенной методики расчета надежности машин и ресурса работы изделий.

5

Глава 1. ОБЗОР ПРОЦЕССОВ СТАРЕНИЯ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА РЕСУРСА РАБОТЫ

1.1. Причины потери машиной работоспособности

Изменения, которые происходят с течением времени в любой машине и приводят к потере ее работоспособности, связаны с внешним и внутренним воздействием, которому она подвергается. В процессе эксплуатации на машину действуют все виды энергии, что может привести к изменению параметров отдельных элементов, механизмов и машины в целом. Различные виды энергии, действуя на машину, вызывают в ее узлах и деталях процессы, снижающие начальные параметры изделия. Эти процессы связаны, как правило, со сложными физико-химическими явлениями и приводят к деформации, износу, поломке, коррозии и другим видам повреждений. При достижении некоторого максимального значения повреждения наступает отказ изделия.

1.2. Классификация процессов по скорости их протекания

Для оценки надежности изделия необходимо оценить скорость протекания процессов, снижающих его работоспособность.

Рассмотрим классификацию процессов, действующих на машину, по скорости их протекания.

Быстропротекающие процессы имеют периодичность измене-

ния, измеряемую обычно долями секунды. Эти процессы заканчиваются в пределах цикла работы машины и вновь возникают при следующем цикле. Сюда относятся вибрации узлов, изменение сил трения в подвижных соединениях, колебания рабочих нагрузок и другие процессы, влияющие на взаимное положение узлов машины в каждый момент времени и искажающие цикл ее работы.

Быстропротекающие процессы возникают в результате сложных физических взаимодействий, которые имеют место при работе машины.

6

Так, возникновение устойчивых колебаний в металлорежущих станках связано с переменностью сил резания из-за периодического изменения величины сечения среза, из-за изменения сил трения между сходящей стружкой и инструментом, из-за возникновения и удаления нароста на инструменте и других причин.

Процессы средней скорости связаны с периодом непрерывной работы машины. Их длительность измеряется обычно в минутах или часах. Они приводят к монотонному изменению начальных параметров машины. К этой категории относятся как обратимые процессы (изменение температуры самой машины и окружающей среды, изменение влажности среды), так и необратимые (износ режущего инструмента, который протекает во много раз интенсивнее, чем изнашивание деталей и узлов машины).

Процессы средней скорости (например, тепловые деформации), как правило, характеризуются случайными величинами и функциями, что связано с многообразием параметров, определяющих протекание данного процесса.

Медленные процессы протекают за время работы машины между периодическими осмотрами или ремонтами. Они длятся дни и месяцы. К таким процессам относятся: износ основных механизмов машины, перераспределение внутренних напряжений в деталях, ползучесть металлов, загрязнение поверхностей трения, коррозия, сезонные изменения температуры.

Эти процессы также влияют на точность, мощность, КПД

идругие параметры машин, но изменение их происходит очень медленно. Обычные методы борьбы с медленными процессами – ремонт

ипрофилактические мероприятия, которые проводятся через определенные промежутки времени.

Следует подчеркнуть, что медленные процессы, как и процессы средней скорости, являются случайными функциями. К числу медленных процессов относится износ машин, который приводит к повреждению трущихся поверхностей и, как правило, является причиной большого числа отказов машины.

7

1.3. Классификация отказов

Основным признаком, определяющим различные виды отказов, служит характер возникновения и протекания процессов, приводящих к отказу.

Существуют следующие основные виды отказов.

Постепенные (износные) отказы (рис. 1, а) возникают в ре-

зультате протекания того или иного процесса старения, ухудшающего начальные параметры изделия.

времени от t1 до t2 зависит от длительности предыдущей работы изделия t1. Чем больше эксплуатировалось изделие, тем выше вероят-

ность возникновения отказа, т.е. F2 t F1 t , если t2 > t1, где F t – вероятность отказа за период от t до t t .

К такому виду относят большинство отказов станков. Внезапные отказы (рис. 1, б) возникают в результате сочетания

неблагоприятных факторов и случайных внешних воздействий, превышающих возможности изделия к их восприятию.

Отказ возникает через некоторый промежуток времени Tв, который является случайной величиной.

Примерами таких отказов могут служить тепловые трещины, возникшие в детали вследствие прекращения подачи смазки, полом-

8

ки детали из-за неправильной эксплуатации машины или возникновения перегрузок, деформация или поломка деталей, попавших в такие условия работы, когда каждый параметр принимает экстремальное значение (наибольшие нагрузки, минимальная твердость материала, повышенная температура и т.п.).

Оба отказа проявляются примерно одинаково, однако их природа и, соответственно, методы повышения надежности совершенно различны.

Наступление любого отказа зависит от скорости процесса повреждения

где U – степень повреждения, и от времени начала возникновения этого процесса Тв.

Для постепенного отказа Тв = 0, т.е. при эксплуатации изделия процесс начинается сразу, даже если он вначале практически не

проявляется, а скорость процесса является функцией времени t .

Для внезапного отказа время его возникновения Тв является случайной величиной и подчиняется некоторому закону распреде-

ления f Tв , не зависящему от состояния изделия. Процесс протекает весьма быстро , поэтому функция f Tв определяет ве-

роятность безотказной работы.

Большинство отказов машин, связанных с процессами износа, коррозии, усталости и ползучести материалов, относят к постепенному виду отказов.

1.4. Общая схема формирования отказа

Рассмотрим общую схему формирования отказа изделия (рис. 2), когда протекание различных процессов повреждения приводит к изменению во времени выходного параметра U. Отказ возникнет при достижении параметром своего предельно допустимого значения Umax, что произойдет через некоторый случайный промежуток времени работы изделия.

9

На схеме показаны основные этапы формирования закона распределения f t . В начале имеет место рассеивание параметров из-

делия f a относительно своего математического ожидания a0. Это

связано с рассеиванием начальных показателей новой машины, с возможностью ее работы при различных режимах и с протеканием таких процессов, как вибрация, деформация и другие, которые проявляются сразу же при работе машины. Затем на ухудшении параметров изделия в процессе эксплуатации сказываются медленно протекающие процессы, например износ. В общем случае процесс изменения параметра может начаться через некоторый промежуток времени Тв, который также является случайной величиной и связан с накоплением повреждений (например, усталостных) или с действием внешних причин.

Рис. 2. Общая схема формирования отказа

Процесс изменения параметра U со скоростью х также являет-

ся случайным и зависит от изменения повреждений отдельных элементов изделия (их износа со скоростью 1, 2 ,..., k ).

10