Лекция 3. Базовая и эксплуатационная надежности машин

Источники и причины изменения начальных параметров машины. Те изменения, которые происходят с течением времени в любой машине и приводят к потере ее работоспособности, связаны с внешними и внутренними воздействиями, которым она подвергается. В процессе эксплуатации на машину действуют все виды энергии, что может привести к изменению параметров отдельных элементов, механизмов и машины в целом. При этом имеется три основных источника воздействий:

*действие энергии окружающей среды, включая человека, исполняющего функции оператора или ремонтника;

*внутренние источники энергии, связанные как с рабочими процессами, протекающими в машине, так и с работой отдельных механизмов машины;

*потенциальная энергия, которая накоплена в материалах и деталях машины в процессе их изготовления (внутренние напряжения в отливке, монтажные напряжения).

При работе машины наблюдаются следующие основные виды энергии, влияющие на ее работоспособность.

Механическая энергия, которая не только передается по всем звеньям машин в процессе работы, но и воздействует на нее в виде статических или динамических нагрузок от взаимодействия с внешней средой.

Силы, возникающие в машине, определяются характером рабочего процесса, инерцией перемещающихся частей трением в кинематических парах. Эти силы являются случайными функциями времени. Природа их возникновения, как правило, связана со сложными физическими явлениями.

Механическая энергия в машине может возникнуть и как следствие тех затрат энергии, которые имели место при изготовлении частей машины и сохранились в них в потенциальной форме, Например, деформация частей при перераспределении внутренних напряжений, изменение объема детали после ее термической обработки происходят без всяких внешних воздействий.

Тепловая энергия действует на машину и ее части при колебаниях температуры окружающей среды, при осуществлении рабочего процесса (особенно сильные тепловые воздействия имеют место при работе двигателей и ряда технологических машин), при работе приводных механизмов, электротехнических и гидравлических устройств.

Химическая энергия также оказывает влияние на работу машины. Даже воздух, который содержит влагу и агрессивные составляющие, может вызвать коррозию отдельных узлов машины,

Если же машина работает в условиях агрессивных сред (оборудование химической промышленности, суда, многие машины текстильной промышленности и др.), то химические воздействия вызывают процессы, приводящие к разрушению отдельных элементов и узлов машины.

Ядерная (атомная) энергия, выделяющаяся в процессе превращения атомных ядер, может воздействовать на материалы (особенно в космосе), изменяя их свойства.

Электромагнитная энергия в виде радиоволн (электромагнитных колебаний) пронизывает все пространство вокруг машины и может оказать влияние на работу электронной аппаратуры.

Биологические факторы также могут влиять на работоспособность машины. Например, в тропических странах имеются микроорганизмы, которые не только разрушают некоторые виды пластмасс, но даже могут воздействовать на металл.

Таким образом, все виды энергии действуют на машину и ее механизмы, вызывают в ней целый ряд нежелательных процессов, создают условия для ухудшения ее технических характеристик.

Процессы, снижающие работоспособность изделия. 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.

Это, в свою очередь, влечет за собой изменение выходных параметров изделия, что может привести к отказу.

Эти взаимосвязи упрощенно можно выразить следующей схемой:

Энергия, действующая на машину

Следует подчеркнуть, что процессы, приводящие к изменению начальных свойств изделия, протекают в материалах, из которых создано изделие, включая не только детали машины, но и смазку, топливо и все то, что участвует в рабочем процессе машины.

Приведем примеры данных взаимосвязей. Механическая энергия, действующая в звеньях металлорежущего станка, приводит и возникновению процесса износа его звеньев. Это вызывает искажение начальной формы сопряжений (т. е. их повреждение), что приводит к потере станком точности, которая является основным выходным параметром станка. При достижении определенной погрешности обработки возникает отказ.

Химическая энергия вызывает процессы коррозии в резервуарах и трубопроводах агрегатов химической промышленности. Повреждение стенок резервуаров может привести вначале к ухудшению выходных параметров агрегата (загрязнение химических веществ, изменение пропускных сечений трубопроводов), а затем при разрушении стенок к полному выходу из строя изделия.

Сочетание механических воздействий в том числе высокочастотных колебаний, а также влияние температурных и химических факторов на элементы конструкции самолетов приводит к тому, что в них могут возникать усталостные разрушения (трещины). Они снижают несущую способность системы, что при определенной величине повреждения приводит к разрушению элемента конструкции и может закончиться аварией.

Следует иметь в виду, что процесс, возникающий в результате действия того или иного вида энергии, может не сразу привести к повреждению изделия. Часто существует период «накопления воздействий» прежде чем начнется период внешнего проявления процесса, т. е. повреждение изделия. Например, для начала развития усталостной трещины необходимо определенное число циклов переменных напряжений.

Повреждение материала изделия — это отклонение его контролируемых свойств от начальных, оно связано с выходными параметрами изделия определенной зависимостью. Не всякое повреждение влияет на выходные параметры изделия. Также и определенная степень этого повреждения может не повлиять на показатели работоспособности.

Из схемы, приведенной выше, видно, что между воздействием энергии на изделие и возникновением отказа имеет место последовательная цепочка взаимосвязей. Следует иметь в виду, что часть процессов, происходящих в машине и влияющих на ее технические характеристики, являются обратимыми. Обратимые процессы временно изменяют параметры деталей, узлов и всей системы в некоторых пределах, без тенденции прогрессивного ухудшения. Наиболее характерный пример таких процессов — упругая деформация узлов и деталей машин.

Необратимые процессы приводят к прогрессивному ухудшению технических характеристик машины с течением времени. Наиболее характерными необратимыми процессами в машинах являются изнашивание, коррозия, усталость, перераспределение внутренних напряжений и коробление деталей с течением времени.

Классификация процессов, действующих на машину по скорости их протекания. Для оценки надежности изделия необходимо оценить скорость протекания процессов, снижающих его работоспособность. Быстропротекающие процессы имеют периодичность изменения, измеряемую обычно долями секунды. Эти процессы заканчиваются в пределах цикла работы машины и вновь возникают при следующем цикле. Сюда относятся вибрации узлов, изменения сил трения и 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.

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

Система станка, на которую действуют эти силы, может создавать условия для обратного влияния на параметры резания и поддержания или усиления возникающих колебаний.

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, изменения 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.

Например, на тепловые поля машины влияют: колебание температуры окружающей среды, колебание коэффициента трения в приводных механизмах (что определяет величину тепловыделения), теплообразование при рабочих процессах и др.

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 и другие параметры машин, но изменения их происходят очень медленно, Обычные методы борьбы с медленными процессами — ремонт и профилактические 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.

Допустимые и недопустимые виды повреждений деталей и сопряжений. Различные вредные процессы, воздействующие на машину, приводят к повреждению ее деталей, что, в свою очередь, может явиться причиной отказа. Для оценки работоспособности детали необходимо установить характер повреждений, в результате которых она выходит из строя, т. е. возникает отказ.

При работе машины отказ деталей может возникнуть в результате их поломки, деформации, износа пли пластической деформации поверхностных слоев, тепловых трещин, коррозии и т. д.

Однако не все виды повреждений являются неизбежным следствием работы машины. Некоторые из них возникают из-за неправильного расчета и подбора материала или недопустимых методов эксплуатации.

Виды повреждений деталей машины и соответственно отказы можно разбить на две группы: допустимые (по характеру, а не по величине повреждения), возникающие при нормальных условиях эксплуатации, и недопустимые, которые носят аварийный характер. При этом разрушению или деформации может подвергаться как тело детали, так и ее поверхность, находящаяся во взаимодействии (контакте) с поверхностью сопряженной детали.

К допустимым повреждениям относятся коробление (остаточные деформации) детали, в некоторых случаях поломка в результате усталости, некоторые виды износа, усталость поверхностных слоев.

Как правило, недопустимы поломки деталей в результате недостаточной статической, динамической или усталостной прочности, тепловые трещины в результате нагрева детали, в ряде случаев коррозия. Для поверхностей контакта характерны такие недопустимые повреждения, как некоторые виды износа, протекающие с большой интенсивностью (молекулярно-механический износ, приводящий к задирам поверхностей, тепловой износ), выкрашивание частиц с поверхности трения и др. Следует иметь в виду, что разделение повреждений на допустимые и недопустимые зависит не только от характера повреждений, но и от тех требований, которые предъявляются к данному изделию, и от возможностей предотвратить данный процесс. Например, коррозия — допустимый вид повреждения для корпусов морских судов и недопустимый для станин станков.

Все недопустимые повреждения и причины их возникновения должны быть устранены теми или иными методами. Допустимые повреждения, как правило, не могут быть полностью устранены; можно лишь замедлить их проявление, например, путем уменьшения скорости изнашивания.

Повреждения элементов машины могут принести к ее отказам, если степень этих повреждении произошла допустимый уровень.

Виды повреждений определяют содержание ремонтов машины. Допустимые повреждения деталей устраняются плановыми ремонтами машины. Отказы деталей из-за недопустимых повреждений устраняются в ходе аварийных ремонтов. Допустимые повреждения вызываются в основном старением материалов, из которых они изготовлены.

Процессом старения называется необратимое изменение свойств или состояния материала изделия в результате действия различных факторов.

Например, упругая или тепловая деформация изделия, которая может привести к отказу, не является процессом старения, так как при снятии внешних нагрузок (силовых и температурных), вызвавших данную деформацию, изделие приобретает исходные характеристики.

Необратимые процессы — износ, коррозия, усталость, потеря магнитных свойств материала, структурные его изменения, изменение отражательной способности поверхности и другие — приводят к таким повреждениям, которые ухудшают начальные параметры изделия, т. е. происходит его старение.

Следует иметь в виду, что и обратимые процессы могут участвовать в старении изделия, если с течением времени изменяется степень отклонения выходных параметров изделия при тех же воздействиях. Например, с течением времени происходит рост амплитуд при вибрации изделия, хотя внешние нагрузки сохраняются прежними.

Изучение процессов старения необходимо для оценки потери работоспособности изделия во времени.

О параметрической надежности машин. Ряд процессов в машине может привести к отказам, которые связаны не с выходом из строя отдельных деталей и сопряжений, а с ухудшением характеристик машины и выходом их за допустимые пределы.

Параметры, характеризующие качественные показатели машины, специфичны для данного типа машины и определяются ее функциональным назначением.

Например, для металлорежущих станков и другого технологического оборудования основным показателем является точность обработки и качество получаемой продукции, а также производительность технологического оборудования. Для сельскохозяйственных, строительных и других машин наряду с качеством работы основным показателем является их производительность.

Отдельные узлы машины также, как правило, имеют параметры, которые обусловлены функциональным назначением этих узлов и их ролью в данной машине.

Например, карбюратор автомобильного двигателя должен обеспечить подачу оптимального состава смеси горючего и воздуха на всех режимах работы двигателя, а шпиндель металлорежущего станка — точность вращения по радиальному и осевому биению в заданных пределах и т. д.

В современных машинах надежность их работы определяется в первую очередь изменением выходных параметров под действием различных процессов старения. В этом случае говорят о параметрической надежности изделий.

В сложных системах и машинах требования к выходным параметрам устанавливаются как для машины в целом, так и для отдельных ее элементов, узлов и агрегатов. При этом значения выходных параметров машины зависят от параметров, характеризующих состояние ее отдельных элементов и узлов, и от роли, которую они играют в обеспечении требуемых показателей качества машины в целом. Следует подчеркнуть, что выход параметров узла за допустимые пределы означает необходимость его ремонта или регулировки, т. е. остановки всей машины. Поэтому параметрический отказ элемента или части машины означает отказ функционирования для всей машины или сложной системы машин.