Ветошкин А.Г., Марунин В.И. - Надежность и безопасность технических систем (1094345), страница 6
Текст из файла (страница 6)
д.)и другие факторы, влияющие на протекание процесса повреждения материала. Однакопри наличии только функциональной зависимости, достаточно достоверно описывающей данное явление, нельзя еще точно предсказать, как будет протекать данный процесс, так как сами аргументы Z1,… Zn являются случайными величинами.Действительно, при работе машины происходят непредвиденные изменения иколебания нагрузок, скоростей, температур, степени загрязнения поверхностей. Болеетого, сами детали машины могут быть выполнены с различными допусками на технологические параметры (точность, однородность материала и др.).Однако знание физической закономерности процесса в корне изменяет возможности по оценке хода процесса по сравнению со случаем, когда этот процесс оценивается только на основе статистических наблюдений.Функциональная зависимость, хотя и абстрагирует действительность и лишь сизвестной степенью приближения отражает физическую сущность процесса, но позволяет предсказывать возможный ход процесса при различных ситуациях.Поэтому «физика отказов», которая изучает закономерности изменения свойствматериалов в условиях их эксплуатации, является основой для изучения и оценки надежности машин.Для решения инженерных задач надежности необходимо знать закономерностиизменения выходных параметров системы и ее элементов во времени.
Современнаянаука изучает закономерности изменения свойств и состояния материалов на следующих уровнях.Субмикроскопический уровень, когда на основании рассмотрения строения атомов и молекул и образования из них кристаллических решеток твердых тел или иныхструктур выявляются закономерности, которые служат базой для объяснения свойств иповедения материалов в различных условиях.Микроскопический уровень рассмотрения свойств материалов исходит из анализа процессов, происходящих в небольшой области.
Полученные при этом закономерности в дальнейшем распространяются на весь объем тела.Изучение влияния совместного действия силовых и физико-химических факторов на поведение твердых тел в процессе их эксплуатации привело к появлению новогонаправления - физико-химической механики материалов.Макроскопический уровень рассматривает изменение начальных свойств или состояния материала всего тела (детали). Так теория упругости на основе закона Гукарассматривает деформации и напряжения в системах и деталях различной конфигурации, работающих на растяжение, кручение, изгиб и другие виды деформации.Разнообразные закономерности и методы расчетов, применяемые при конструировании и производстве машин, полученные общие физические законы и частные зависимости могут быть использованы и при решении вопросов надежности.
При этом, поскольку главной задачей является оценка изменения свойств и состояния материала вфункции времени, необходимо выявить, какие физические закономерности могут бытьиспользованы и как проявляется фактор времени при оценке работоспособности изделия.234.3.2. Законы состоянияКак физические законы, так и полученные на их основе частные зависимости,описывающие изменение свойств и состояния материалов, можно разделить на две основные группы.Во-первых, это закономерности, описывающие взаимосвязи обратимых процессов, когда после прекращения действия внешних факторов материал (и соответственнодеталь) возвращается в исходное состояние. Эти зависимости называются законами состояния.Во-вторых, имеются закономерности, которые описывают необратимые процессы и, следовательно, позволяют оценить те изменения начальных свойств материалов,которые происходят или могут происходить в процессе эксплуатации изделия.
Эти зависимости называются законами старения.Законы состояния можно разделить на статические, когда в функциональнуюзависимость, описывающую связь между входными и выходными параметрами, факторвремени не входит, и на переходные процессы, где учитывается изменение выходныхпараметров во времени.Типичными примерами статических законов состояния могут служить закон Гука, закон теплового расширения твердых тел и др. На основании этих законов получены расчетные зависимости для решения различных инженерных задач.Статические законы, описывающие изменения состояния изделия, хотя и невключают фактор времени, но могут быть использованы для расчетов надежности, если известны изменения характеристик изделия в процессе эксплуатации.Законы состояния, описывающие переходные процессы, например колебанияупругих систем, процессы теплопередачи и другие, хотя и включают фактор времени,но также не учитывают изменений, происходящих при эксплуатации изделий.
Обычноони относятся к категории быстропротекающих процессов или процессов средней скорости. Лишь при известном изменении уровня внешних воздействий их можно использовать для решения задач надежности.4.3.3. Законы старенияОсновное значение для оценки потери изделием работоспособности имеет изучение законов старения, которые раскрывают физическую сущность необратимых изменений, происходящих в материалах изделия. Хотя законы старения всегда связаны сфактором времени, в некоторых из них время непосредственно не фигурирует, так как вполученных зависимостях отыскивается связь с другими факторами (например, энергией), которые, в свою очередь, проявляются во времени. Такие зависимости будем называть законами превращения.Типичным примером законов превращения могут служить зависимости, описывающие процессы коррозии.
Вывести закономерности, непосредственно отражающиеизменение величины коррозии во времени, трудно: во-первых, в результате поливариантности коррозийных процессов, когда большое число факторов оказывает одновременно и часто противоположное действие на интенсивность повреждения, и во-вторых,коррозия может быть не только равномерно распределенной по поверхности металла24(например, в виде окисной пленки), но и носить локальный характер (местная коррозия) или проявляться в виде межкристаллитной коррозии.Для оценки возможности возникновения и интенсивности коррозионного процесса применяют законы химической термодинамики.Применение физико-химических закономерностей для оценки интенсивностипротекания процессов химической коррозии является типичным подходом к анализусложных явлений старения и разрушения материалов.Хотя для прогноза поведения изделия при эксплуатации и для выбора оптимальных решений желательно было бы иметь непосредственные зависимости протеканияданного процесса старения во времени, сложность явления не позволяет на данном этапе получить эту закономерность.Поэтому используются, физические и химические законы, отражающие наиболее существенные стороны процесса и показатели, по которым можно косвенно судитьоб интенсивности процесса.Законы старения, оценивающие степень повреждения материала в функциивремени, являются основой для решения задач надежности.
Они позволяют прогнозировать ход процесса старения, оценивать возможные его реализации и выявлять наиболее существенные факторы, влияющие на интенсивность процесса. Типичным примером таких зависимостей являются законы износа материалов, которые на основе раскрытия физической картины взаимодействия поверхностей дают методы для расчетаинтенсивности процесса изнашивания или величины износа в функции времени и оценивают параметры, влияющие на ход процесса.Многие временные закономерности физико-химических процессов могут бытьполучены на основе рассмотрения кинетики термоактивационных процессов. Изменение свойств твердых тел происходит в результате перемещений и перегруппировокэлементарных частиц (атомов, молекул, электронов, протонов и др.), изменения их положения в кристаллической решетке.Это относится к той небольшой части элементарных частиц, энергия .которыхпревосходит некоторый уровень, который называется энергией активации Еа.
Скоростьданного процесса тем больше, чем большее число частиц обладает энергией выше, чемэнергия активации.Любой процесс старения возникает и развивается лишь при определенных внешних условиях. Для оценки возможных видов повреждения материалов деталей машиннеобходимо установить область существования процесса старения и в первую очередьусловия его возникновения. Для возникновения процесса обычно должен быть превзойден определенный уровень нагрузок, скоростей, температур или других параметров, определяющих его протекание.
Этот начальный уровень или порог чувствительности особенно важно знать для быстропротекающих процессов старения, когда послевозникновения процесса идет его интенсивное лавинообразное развитие. Часто порогчувствительности связывают с некоторым энергетическим уровнем, который определяет начало данного процесса. Например, энергия активации Eа определяет энергетический уровень, начиная с которого может идти процесс изменения свойств материала.Энергетическая концепция лежит в основе теории возникновения трещин в металлических конструкциях при средних напряжениях, остающихся ниже предела текучести.254.4.
Отказы, вызываемые общими причинами(множественные отказы)Множественный отказ есть событие, при котором несколько элементов выходятиз строя по одной и той же причине. К числу таких причин могут быть отнесены следующие:- конструкторские недоработки оборудования (дефекты, не выявленные на стадии проектирования и приводящие к отказам вследствие взаимной зависимости междуэлектрическими и механическими подсистемами или элементами избыточной системы);- ошибки эксплуатации и технического обслуживания (неправильная регулировка или калибровка, небрежность оператора, неправильное обращение и т.
я.);- воздействие окружающей среды (пыль, грязь, температура, вибрация, а такжеэкстремальные режимы нормальной эксплуатации);- внешнее катастрофическое воздействие (естественные внешние явления, такие, как наводнение, землетрясение, пожар, ураган);- общий изготовитель (резервируемое оборудование или его компоненты, поставляемые одним и тем же изготовителем, могут иметь общие конструктивные илипроизводственные дефекты.
Например, производственные дефекты могут быть вызваны неправильным выбором материала, ошибками в схемах монтажа, некачественнойпайкой и т. п.);- общий внешний источник питания (общий источник питания для основного ирезервного оборудования, резервируемых подсистем или элементов);- неправильное функционирование (неверно выбранный комплекс измерительныхприборов или неудовлетворительно спланированные меры защиты).Известен целый ряд примеров множественных отказов атомных электростанций.Так, некоторые параллельно соединенные пружинные реле выходили из строя одновременно и их отказы были вызваны общей причиной; вследствие неправильного расцепления муфт при техническом обслуживании два клапана оказались установленнымив неправильное положение; из-за разрушения паропровода имели место сразу несколько отказов коммуникационного щита.
В некоторых случаях общая причина вызываетне полный отказ резервированной системы {одновременный отказ нескольких узлов, т.е. предельный случай), а менее серьезное общее понижение надежности, что приводитк повышению вероятности совместного отказа узлов системы.5. Основные характеристики надежности элементов и систем5.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
