1 .2. Причины потери машиной работоспособности

1.2.1. Процесс механического разрушения твердых тел

Современная теория физики твердого тела рассматривает процесс разрушения материала как постепенный кинетический термоактивационный процесс, развивающийся в механически напряженном материале с момента приложения нагрузки любой величины.

Скорость процессов механического разрушения деталей зависит от структуры и свойств материала, геометрической формы и состояния поверхности, от напряжения, вызываемого нагрузкой и температурой. В настоящее время получена зависимость между ресурсом материала Т, напряжением  и температурой t:

,

где Т - наработка (время) от момента приложения постоянной механической нагрузки до разрушения образца; ₀, U₀,  - параметры, характеризующие прочностные свойства материала; t - температура;  - напряжение; R - универсальная газовая постоянная.

Эта зависимость показывает, что разрушение образца следует рассмат­ривать как постоянный процесс, в котором за счет последовательного флуктуационного разрыва атомных связей в кристаллической решетке преодоле­вается энергетический барьер U₀, сниженный в результате действия напря­жений на величину .

Если на деталь при работе действуют как статические, так и перемен­ные напряжения, вызванные различными нагрузками, и повышенная темпе­ратура, и прочностные характеристики меняются с течением времени или по числу циклов, следует учитывать возможные отклонения этих параметров от их расчетных значений. Расчетные статические напряжения могут возрасти из-за резонансного усиления колебаний, температура - из-за ухудшения ус­ловий охлаждения и так далее.

Как сказано выше, процесс, возникающий в результате воздействия того или иного вида энергии, может постепенно привести к повреждению машины. Существует период накопления воздействий, прежде чем начнется повреждение машины. Например, для начала развития усталостной трещины необходимо определенное число циклов переменных напряжений.

Усталость - процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений. Свойство материала про­тивостоять усталости называется выносливостью. Показателем выносливо­сти является предел выносливости - наибольшее значение амплитуды на­пряжений цикла, при действии которой не происходит усталостного разру­шения после произвольно большого количества циклов. Зависимость между напряжением, числом циклов до разрушения и пределом выносливости име­ет следующий вид:

,

где N_i – число циклов до разрушения; _i – действующее напряжение; _R -

предел выносливости; K, m - постоянные коэффициенты.

Экспериментальные исследования показали, что усталостная проч­ность деталей машин имеет статистическую природу, то есть зависит от це­лого ряда факторов, значение которых предварительно учесть практически невозможно (переменные условия работы, состояние поверхностного слоя деталей, наличие внутренних дефектов структуры металлов и т.п.). В связи с этим наблюдается значительное рассеяние результатов испытаний, особенно по усталостной долговечности. Циклическая прочность деталей, изготовлен­ных по одинаковой технической документации и испытанных на одном уровне напряжения цикла, может отличаться в несколько раз. Для описания долговечности детали при переменных нагрузках наиболее употребитель­ным является логарифмически нормальный закон (нормальный закон для логарифма случайной величины).

Плотность распределения логарифма числа циклов до усталостного разрушения при работе на постоянном уровне переменных напряжений 

,

где и S_lgN - соответственно среднее значение и среднее квадратическое отклонение числа циклов до разрушения (lgN=F₁(); S_lgN=F₂()).

В современных инженерных расчетах в целях учета влияния факторов, которые предварительно учесть невозможно, вводится запас прочности, с тем, чтобы обеспечить заведомо безотказную работу машины:

,

где n - запас прочности, _разр - разрушающее напряжение, _max - наибольшее напряжение в металле, [n] - допустимая величина запаса прочности. Под _разр при действии переменных напряжений понимают предел выносливости, при действии постоянных напряжений - предел прочности. Запас прочности зависит от рода конструкции, ее долговечности и ответственности, досто­верности назначения расчетной нагрузки, точности расчетного метода и др.

Запас прочности в разных случаях имеет значение от 1,25 до 15 и даже выше. Несмотря на введение такого "коэффициента незнания", "коэффициента перестраховки" фактические сроки службы деталей машин значительно отличаются от расчетных в меньшую сторону: так, вал инерци­онного грохота при запасе прочности n=5 вместо расчетных 3 лет отрабаты­вает 1,2-1,5 года; вал шаровой мельницы соответственно вместо 4 лет - 1,8-2 года и так далее. Недостаток этого метода расчета может быть частично уст­ранен введением статистических запасов прочности или определением веро­ятности разрушения (см. гл. 4).