Основы надежности машин
Лекция № 2
2. Основы надежности машин
2.1. Качество и надежность машин
Результатом производственной деятельности является создание материальных ценностей, предназначенных для удовлетворения определенных потребностей. Созданные материальные ценности называются продукцией, которая может быть изделиями или продуктами.
Изделия — продукция промышленного предприятия, исчисляемая в штуках или экземплярах. К изделиям относятся машины, приборы, их детали и сборочные единицы.
Продукты — продукция, исчисляемая в килограммах, литрах, метрах и т. п. К продуктам относятся металлы, нефтепродукты, краски и т. д. По способу использования продукция может быть потребляемая и эксплуатируемая.
Качество выпускаемой продукции является одним из важнейших показателей деятельности предприятия.
Качество продукции — это совокупность свойств, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с назначением; свойство продукции — объективная особенность продукции, проявляющаяся при ее создании и использовании. Из этой формулировки следует, что не все свойства изделия имеют одинаковую значимость и входят в понятие «качество». Например, качество автомобиля будет определяться тяговым усилием, удельным расходом топлива, наработкой до капитального ремонта и др.
Рекомендуемые материалы
Показатели качества продукции — количественная характеристика свойств продукции, рассматриваемая применительно к определенным условиям ее создания или эксплуатации. Другими словами, качество складывается из свойств. Каждое свойство характеризуется одним или несколькими параметрами, которые могут принимать при эксплуатации различные количественные значения, называемые показателями.
Так, одним из параметров топливной экономичности автомобиля (свойство) является контрольный расход топлива, количественное значение которого для конкретной модели (показатель) составляет 7 л/100 км.
Обычно рассматривают технико-эксплутационные свойства (ТЭС) транспортных средств, главными из которых являются: масса и габариты, грузоподъемность, вместимость, маневренность, безопасность, экологичность, топливная экономичность, динамичность (тягово-скоростная), производительность, экономичность, надежность, цена и др.
При этом потребителя интересуют в первую очередь два главных показателя ТЭС: начальное значение показателя качества и стабильность в процессе эксплуатации, т.е. изменение свойств в зависимости от наработки с начала эксплуатации.
Стабильные ТЭС практически не изменяются в течении всего срока службы изделия (габаритные и весовые показатели, грузоподъемность, вместимость и др.)
Нестабильные ТЭС ухудшаются в процессе работы и по мере старения транспортного средства или агрегата (производительность, затраты на обеспечение работоспособности, интенсивность использования ТС и др.)
Качество транспортного средства — это совокупность свойств, определяющих ее способность выполнять свои функции в соответствии с требованиями. Все показатели качества автомобиля делятся на несколько групп: показатели назачения, технологичности, эргономические, унификации и стандартизации, экономические, экологические, эстетические и патентно-правовые.
.
Взаимосвязь показателей качества машин приведена на рис. 1.1
1.1. Показатели качества машин
В значительной степени стабильность ТЭС автомобилей определяется их надежностью.
Надежность ТС — один из важнейших показателей качества. Надежность — это свойство изделия, обеспечивающее выполнение заданных функций при сохранении эксплуатационных показателей в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки.
Наработка — продолжительность функционирования изделия, измеряемая единицами пробега (километры), времени (часы), числом циклов. Различают наработку с начала эксплуатации изделия, наработку до определенного состояния (например, предельного), наработку интервальную, до первого отказа, между отказами и др.
Отказ— нарушение работоспособности ТС (детали, узла и т. п.). Повреждение заключается в нарушении исправности. В соответствии с теорией надежности ТС может находиться в состоянии работоспособности или неработоспособности, исправности или неисправности.
Работоспособность — состояние ТС или сборочных единиц, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют нормативно-технической (стандарты, технические условия и т.д.) и (или) конструкторской документации (мощность двигателя, сила тяги на крюке, расход топлива и т. д.).
Неработоспособность — состояние ТС, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.
Исправность — состояние ТС, при котором оно соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической и (или) конструкторской документацией.
Неисправность — состояние машины, при котором она не соответствует хотя бы одному из этих требований.
Понятие «исправность» шире, чем «работоспособность». Работоспособная машина в отличие от исправной удовлетворяет лишь тем требованиям нормативно-технической документации, которые обеспечивают ее нормальное функционирование при выполнении заданных функций. Однако машина может не удовлетворять, например, требованиям, относящимся к внешнему виду (дефекты кабины, облицовки и др.). Следовательно, работоспособная машина может быть неисправной, однако ее повреждения не препятствуют нормальному функционированию.
Надежность ТС — комплексное свойство, которое характеризуется безотказностью, ремонтопригодностью, долговечностью и сохраняемостью. Каждое из указанных свойств надежности оценивается рядом технических и экономических показателей, физическая сущность и количество которых зависит от конструкции автомобиля, технологии изготовления и условий эксплуатации, качества технического обслуживания и ремонта.
Для оценки надежности ТС или сборочной единицы используются единичные и комплексные показатели надежности.
2.2. Неисправности и отказы машин
Ухудшение технического состояния машин в процессе эксплуатации является следствием появления неисправностей и отказов. Момент наступления отказа всегда случаен. По характеру процесса отказы делят на постепенные и внезапные.
Постепенный отказ характеризуется постепенным изменением значений одного или нескольких параметров технического состояния машины. Причиной могут быть изнашивание и коррозия деталей, накопление усталостных повреждений и т.д. Вероятность возникновения постепенного отказа повышается с увеличением наработки машины.
Внезапный отказ характеризуется скачкообразным изменением одного или нескольких параметров состояния машины. Он вызывается обычно неожиданным изменением внешних условий (перегрузка, попадание посторонних предметов в рабочие органы машины, наезды и т.д.). Внезапный отказ может возникнуть с одинаковой вероятностью независимо от наработки машины.
Параметр состояния — физическая величина, характеризующая работоспособность или исправность ТС и изменяющаяся в процессе работы.
Важно установить вид и причины возникновения отказов, которые можно распределить на следующие группы: отказы конструктивные, производственные и эксплутационные отказы.
Наиболее распространенным видом неисправностей деталей и их соединений (сопряжений) является изнашивание рабочих поверхностей.
Изнашивание — это процесс разрушения и удаления материала с поверхности твердого тела и (или) накопления остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.
Износ — это результат изнашивания, проявляющийся в виде изменения размеров и свойств материала детали.
Основными характеристиками процесса изнашивания являются его скорость и интенсивность, а также износостойкость материала.
Скорость изнашивания — отношение значения износа к интервалу времени, в течение которого он возник.
Интенсивность изнашивания — отношение значения износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы.
Износостойкость — свойство материалов оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или его интенсивности.
Износ деталей оказывает решающее влияние на долговечность и эксплуатационную надежность машин. Процесс изнашивания деталей подвижных сопряжений за период работы машины до ее ремонта можно условно разделить на три характерных этапа (рис. 1.2): приработка деталей (обкатка ТС), Период нормальной работы и период аварийного (предельного) износа.
1.2. Динамика процесса изнашивания:
1 — абсолютный износ (U); 2 — скорость изнашивания (V)
Зная закономерность нарастания износа детали или увеличения зазора в соединении деталей, можно определить предельные и допустимые износы деталей или зазоры. Например, при измерении размера детали во время ремонта износ ее будет ОР (рис. 1.2). Отложив это расстояние на оси ординат, из точки Р проводят прямую, параллельную оси абсцисс до пересечения с кривой износа. Из точки Б1 опускают перпендикуляр на ось абсцисс. Если отрезок БВ равен или больше межремонтного периода, то износ считается допустимым. Таким образом, допустимым считается износ, при котором деталь (соединение) может нормально работать еще весь следующий межремонтный период, т. е. сохраняет работоспособность. При предельном износе дальнейшая нормальная работа соединения в течение очередного межремонтного периода невозможна.
Кроме износа, проявляющегося при трении, детали машин могут иметь и другие дефекты: механические повреждения, усталостное, коррозионное, электроэрозионное разрушения, деформацию, потерю упругости или намагниченности, образование нагара или накипи.
В соединениях деталей наиболее распространенным дефектом является нарушение посадок вследствие увеличения зазора или уменьшения натяга, в соединениях ослабляются резьбовые и заклепочные соединения. В результате изнашивания деталей, изменения соосности отверстий в корпусных деталях, перпендикулярности поверхностей и параллельности валов нарушаются размерные цепи. Это приводит к потере точности замыкающего звена, что вызывает повышение нагрузки, нагрев, ускоренное изнашивание и разрушение деталей.
2.3. Виды трения и изнашивания
Виды трения. Причина износа деталей машин — внешнее трение. Согласно ГОСТ 27674—88, внешнее трение — это явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним. Трение сопровождается переходом части кинетической энергии в теплоту.
Изнашивание деталей, образующих неподвижные соединения, зависит от силы трения покоя.
Сила трения представляет собой силу сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленной к общей границе между этими телами.
Трение покоя — трение двух тел при микросмещениях без макросмещения (до перехода к относительному движению).
Для деталей, входящих в подвижное соединение, изнашивание будет зависеть от силы трения движения.
Трение движения — трение двух тел, находящихся в движении относительно друг друга.
Рекомендуем посмотреть лекцию "9.4. Организация защиты информации".
По характеру относительного движения трение движения разделяют на трение скольжения и трение качения.
Трение скольжения — кинематическое трение, при котором одна и та же точка одного тела соприкасается со следующими одна за другой точками другого тела.
Трение качения — кинематическое трение, в котором каждая из точек одного тела приходит в соприкосновение только с одной из точек другого тела, а точка их касания является мгновенным центром вращения (подшипники качения, зацепление шестерен и др.).
По характеру протекания процесса различают трение без смазочного материала и со смазочным материалом.
Виды изнашивания. Изнашивание деталей сопровождается сложными физико-химическими явлениями. Скорость изнашивания зависит от материала и качества трущихся поверхностей, характера контакта и скорости их взаимного перемещения, вида и значения нагрузки, вида трения и смазки, качества смазочного материала и от многих других факторов. В соответствии с ГОСТ 27674—88 установлены следующие виды изнашивания в ТС.
Механическое изнашивание — это изнашивание в результате механических воздействий. Этот вид изнашивания подразделяется на абразивное, гидроабразивное (газоабразивное), гидроэрозионное (газоэрозионное), кавитационное, усталостное, при заедании и при фреттинге. Кроме то имеются изнашивания при действии электрического тока, коррозионно-механическое, окислительное и при фреттинг-коррозии
