книги из ГПНТБ / Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин

fc.0 1

УДК 621.002.235.62—192

Елизаветин М. А. Повышение надежности машин. Изд. 2-е переработ. и доп. М., «Машиностроение», 1973, 430 с.

В книге рассмотрены технологические основы на­ дежности машин и методы оценки ее в процессе про­ ектирования и производства. Приведены данные по обеспечению надежности при разработке, проектиро­ вании и производстве машин. Показано влияние ма­

деталей на эксплуатационные свойства и надежность машин. Изложены основные методы обеспечения на­ дежности при сборке, испытании и эксплуатации ма­ шин. Даны новые материалы по методам упрочнения деталей.

Книга предназначена для инженерно-технических работников машиностроительных заводов, конструк­ торских бюро и научно-исследовательских институтов.

Табл. 30, ил. 135, список лит. 117 назв.

Рецензент д-р техн. наук проф. Ф. В. СЕДЫКИН

3133—082

82—БЗ—25—72

038(01)—73

©Издательство «Машиностроение», 1968 г.

©Издательство «Машиностроение», 1973 г. с изменениями.

ВВЕДЕНИЕ

плуатации по прямому назначению. Чем больше их эксплуата­ ционная полезность, тем выше степень удовлетворения потреб­ ностей общества при данном объеме производства продукции, при данных затратах живого и овеществленного труда на это производство. В программе КПСС сказано, что систематическое повышение качества продукции является обязательным требо­ ванием развития экономики. Качество продукции советских предприятий должно постоянно повышаться. Для этого необхо­ димо применять широкую систему мероприятий, включая обще­ ственный контроль, повышать роль показателей качества про­ дукции в планировании, в оценке работы предприятий, в социа­ листическом соревновании.

Для гарантии определенного качества изделий и стимулиро­ вания производства изделий высокого качества в нашей стране введена государственная аттестация качества продукции. Для обозначения аттестованной продукции введен Государственный знак качества. Знак качества присваивается такой продукции, показатели качества которой превышают требования, установ­ ленные стандартами, и соответствуют высшим показателям качества, достигнутым в отечественной и зарубежной промыш­ ленности. Обязательным условием аттестации является стабиль­ ность качества продукции, обеспечиваемая строгим соблюде­

нием технологической дисциплины и высокой культурой произ­ водства [18].

Одним из основных показателей, характеризующих качество современных изделий, является надежность — свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого проме­ жутка времени или требуемой наработки. Надежность есть комплексный показатель, который обусловливается безотказно­ стью, ремонтопригодностью, сохраняемостью и долговечностью.

Наука о надежности изучает изменение показателей работо­ способности изделий с течением времени и на основании этого

разрабатывает методы, обеспечивающие повышение надежности и долговечности с наименьшей затратой времени и средств.

Задачи повышения надежности изделий машиностроения являются весьма сложным комплексом различных проблем. Этот комплекс включает проблемы создания исходных мате­ риалов, обладающих необходимыми физико-механическими свойствами при условии их высокой стабильности; проблемы, связанные с дальнейшим совершенствованием методов разра­ ботки конструкций изделий и с технологическими факторами изготовления, сборки, контроля и регулировки изделий.

При производстве современных машин бывает недостаточно

технологии изготовления и сборке изделий. Поэтому при созда­ нии машин с высокими технико-экономическими показателями важно установление не максимальных или минимальных, а оптимальных требований, достаточных для того, чтобы была обеспечена возможность экономически выгодного и целесооб­

разного их использования.

Правильно сконструированные машины и оборудование оказываются ненадежными, если они недоброкачественно изго­ товлены. Как показывают многочисленные исследования, этот фактор в настоящее время является решающим, так как 60— 70% отказов в работе машин возникает по вине заводов-изго- товителей. Поэтому наряду с работами по созданию наиболее эффективных конструкций машин требуется резкое улучшение технологии их изготовления. Эта задача должна решаться ком­ плексно по всему производственному циклу.

При изготовлении литых, кованых и других видов заготовок требуется дальнейшее исследование факторов, влияющих на получение стабильной структуры при отсутствии остаточных напряжений, а также обеспечивающих требуемые физико­ механические свойства металла. В связи с этим необходимо решить вопросы установления и обеспечения заданных темпе­ ратурных режимов при литье, ковке и штамповке, а также совершенствовать методы снятия напряжений, возникающих в процессе производства.

Во многих случаях надежность машин определяется долго­ вечностью трущихся пар и для некоторых видов оборудования (металлорежущие станки, строительные и дорожные машины, полиграфическое и ткацкое оборудование) первостепенное значение имеет повышение износостойкости деталей. Поэтому важной проблемой является внедрение и дальнейшее развитие работ по изысканию эффективных средств упрочнения поверх­

ностных слоев деталей, а также по повышению стабильности процессов упрочняющей обработки. Общеизвестные способы поверхностного насыщения стали и покрытия легирующими эле­ ментами (углеродом, азотом, хромом, никелем) должны быть дополнены изысканием новых легирующих добавок. Требуют также дальнейшего совершенствования и сами ,методы упроч­ нения поверхностных слоев, в первую очередь путем применения электрических способов, а также более целесообразной техно­ логии их осуществления. Необходимо расширить работы по дальнейшему совершенствованию процессов наплавки, изготов­ лению биметаллических изделий, процессов сварки в вакууме, методов упрочняющей поверхностной обработки, а также разви­ вать работы по применению синтетических материалов.

Большее внимание следует уделять вопросам качества механической обработки, в первую очередь финишным опера­

тодов позволяют значительно ускорить проведение и повысить качество финишных операций, обеспечивающих получение необ­ ходимой шероховатости поверхности и точности обработки. Для тонкостенных деталей имеет значение применение методов финишной обработки с минимальной силой, воздействующей на обрабатываемое изделие. Таким требованиям удовлетворяют электрохимическая, ультразвуковая, гидроабразивная и другие виды обработки. Наряду с финишной обработкой, осуществляе­ мой путем удаления слоя металла, следует более широко при­ менять методы тонкой пластической деформации, при которых точность формы и требуемое состояние поверхности изделия достигаются уплотнением наружных слоев металла. Тонкое пластическое деформирование позволяет получить не только необходимую макро- и микрогеометрию поверхности, но и по­ высить износостойкость и создать благоприятные напряжения, способствующие в ряде случаев повышению эксплуатационных свойств машин.

Общим требованием к технологии производства изделий машиностроения является повышение ее стабильности, гаран­ тия отсутствия случайных отклонений от заданных технических условий, возможность автоматической регулировки технологи­ ческого процесса. При этом необходимо производить объектив­ ный контроль качества и в первую очередь развивать средства автоматического контроля, управляющего процессом или ис­ ключающего возможность выпуска изделий с отступлением от технических условий.

Наука о надежности машин, краткие технологические основы которой излагаются в настоящей работе, определилась как самостоятельная отрасль знаний. К основным вопросам теории надежности машин можно отнести: теорию физико-химического старения (теория фрикционного износа, пластического усталост­

ного разрушения и других видов разрушений); статистическую теорию надежности (методы оценки и расчета надежности, сбо­ ра и анализа данных об отказах, теория надежности схем, методы испытаний, моделирование и др.) ; методы конструиро­ вания надежных машин (методы экономического анализа на­ дежности, методы учета воздействия окружающей среды, техническая психофизиология); методы обеспечения надежно­ сти в процессе производства (методы оценки материалов и технологических процессов изготовления деталей и сборки машин по показателям надежности, оценка надежности изго­ товленных машин, культура производства, экономика производ­ ства); теорию эксплуатации и ремонт (методы обеспечения сохранности и поддержания надежности, методы ремонта); эко­ номику надежности машин.

Современная наука о машинах рассматривает во взаимной связи вопросы теории машин на всех этапах их создания и эксплуатации. При этом на каждом этапе создания машин должны быть использованы современные методы разработки, проектирования и производства машин, обеспечивающие повы­ шение их надежности.

Практика отечественного и зарубежного машиностроения подтверждает, что для успешного решения задач по выпуску современных машин с высокими технико-экономическими показателями следует в процессе их разработки, проектирова­ ния и производства применять метод конструктивно-технологи­ ческого формирования. Конструктивно-технологическое форми­ рование заключается во внедрении новых конструктивных форм, рабочих процессов, современных материалов и способов произ­ водства и выборе оптимальных конструктивно-технологических решений с учетом эксплуатационных свойств и принятых показателей надежности. Основой конструктивно-технологиче­ ского формирования является: контроль за техническим уров­ нем проектируемых и выпускаемых изделий с тем, чтобы надежность и другие показатели качества новых и ранее осво­ енных изделий опережали лучшие достижения промышленности; повышение роли стандартов, нормалей, типажей, расширение унификации и преемственности конструкций; повышение требо­ ваний, предъявляемых к качеству продукции, обусловленных в стандартах, технических условиях и другой нормативной тех­ нической документации; обеспечение строгой технологической дисциплины (соблюдение на всех участках производства техни­ ческих условий и обеспечение стабильности технологических процессов, производственных инструкций, рецептур, методов контроля и других регламентов, зафиксированных в действую­ щей технической документации); установление и точное соблю­ дение системы контроля за качеством материалов, полуфабри­ катов, комплектующих изделий и выпускаемой продукции; широкое вовлечение всех работников предприятий в движение

за высококачественное изготовление продукции на каждой опе­ рации и сдачу ее в ОТК и заказчику с первого предъявления (Саратовская система).

Любое из указанных направлений, осуществляемое вне связи с другими, не обеспечивает комплексного и полного решения задачи. Реализация указанных мероприятий на передовых заводах осуществляется по специально разработанным систе­ мам, обеспечивает высокую эффективность производства.

Так, например, для повышения качества, надежности и ре­ сурса разработана система КАНАРСПИ (качество, надежность, ресурс, с первого предъявления). Эта система обеспечивает высокое качество изделий, надежность и оптимальную долговеч­ ность сложных машин с первых изделий при минимальном времени освоения серийного выпуска машин. Система КАНАРСПИ включает следующие основные направления: соз­ дание опытного образца с заложенными основами надежности; совершенствование конструкции изделий; внедрение новейших методов моделирования; тщательное испытание первых машин для устранения конструктивных недостатков; совершенствова­ ние действующих и внедрение новых технологических процессов; внедрение объективных методов оценки качества и, в частности, статистических; изготовление изделий строго по чертежам и тех­ ническим условиям.

Большой вклад в повышение надежности изделий внесли коллективы Ярославского объединения «Автодизель» и Кремен­ чугского автомобильного завода. В основу разработанной кол­ лективом Ярославского ордена Ленина моторного завода систе­ мы НОРМ (научной организации работ по увеличению мото­ ресурса двигателей) заложен принцип планомерного и периоди­ ческого увеличения моторесурса и обеспечения достигнутого уровня в производстве и эксплуатации.

Задача книги заключается в кратком изложении технологи­ ческих основ производства машин, обеспечивающих повышение их надежности. В работе не ставится задача подробного описа­ ния отдельных технологических процессов изготовления и сбор­ ки машин. Этим вопросам посвящена специальная литература применительно к отдельным отраслям машиностроения и при­ боростроения.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ МАШИН

Старение материалов деталей машин

Старение металлов и сплавов. Обычно старение обусловлено недостаточно стабильным (неравновесным) состоянием мате­ риала и постепенным его переходом в стабильное (равновесное) состояние. Этот переход может быть связан со структурными превращениями или представляет собой релаксационный про­

цесс [66].

При старении может происходить как ухудшение, так и улучшение физико-химических свойств материалов или нередко улучшение одних свойств при одновременном ухудшении других. В процессе производства применяют искусственное старение ма­ териалов для улучшения или стабилизации некоторых их

к основным видам превращений в твердом состоянии относятся: полиморфное (аллотропическое) превращение, мартенситное превращение и распад мартенситной структуры, растворение в твердом состоянии и распад пересыщенных твердых растворов, упорядочение и разупрочнение твердых растворов, образование твердого раствора из эвтектоидной смеси и звтектоидный

облегчается возникновение и рост зародышей новой фазы. Для этих зародышей не нужна флуктуация концентрации компо­

Отдельные стадии других перечисленных превращений также протекают без изменения химического состава исходной и ко­ нечной фаз.

Указанные превращения могут происходить в широком диапазоне температур, включая температуры, характерные для обычных условий эксплуатации. Другие виды превращений про­ исходят при определенных очень высоких или низких темпера­ турах, достигаемых не только при специальной термической обработке, но и при эксплуатации многих устройств (реактив­ ных двигателей, газовых турбин, космических аппаратов и т. д.).

Большое практическое значение имеют процессы старения, связанные с распадом пересыщенных твердых растворов (про­ цессы выделения) и распадом мартенситной структуры.

Такие процессы обусловлены неустойчивой (метастабиль­ ной) структурой сплава, приобретаемой в результате техноло­

метастабильное ' состояние характеризуется повышенным по сравнению со стабильным состоянием уровнем внутренней (свободной) энергии.

Используемое в промышленности естественное и искусствен­ ное старение сплавов, сопровождающееся выделением кристал­ лов новых фаз, является одним из основных методов улучшения определенных свойств некоторых сплавов, например: повы­ шения механической прочности алюминиевых, медных и нике­ левых сплавов, повышения жаропрочности никелевых, увеличе­ ния коэрцитивной силы медных сплавов и т. д.

Упрочнение при старении сопровождается одновременным уменьшением пластичности (повышением хрупкости); процессы старения, протекающие в сталях и сплавах, могут оказывать значительное отрицательное влияние на их свойства. Для уст­ ранения отрицательных влияний применяют специальные мало­ углеродистые стали (легированные титаном, алюминием, цирко­ нием), которые не стареют. Старение, обусловленное распадом пересыщенных твердых растворов, имеет особое значение для многих термически обрабатываемых сплавов на железной, алю­ миниевой, медной, магниевой, никелевой и кобальтовой основе.

Способность к старению определяется увеличивающейся с температурой растворимостью компонента сплава В в основ­ ном металле сплава А, т. е. определяется изменением предельно­ го насыщения твердого раствора с изменением температуры (рис. 1). После нагрева до температуры t\ и быстрого охлажде­ ния до комнатной температуры твердый раствор а окажется пересыщенным и поэтому метастабильным; в компоненте А остается растворенным не то количество т компонента В, ко­