Ю.В.ЖИРКИН

_______________________________

НАДЁЖНОСТЬ, ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РЕМОНТ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ МАШИН (ЧАСТЬ 1)

Допущено Министерством образования Российской Федерации

• качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Металлургические машины

  • оборудование» направления подготовки дипломированных специалистов «Технологические машины и оборудование»

МАГНИТОГОРСК , 2005 г.

1

УДК 669.002.5-192(076)

Рецензенты:

Профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Автоматизированные металлургические машины и агрегаты» МГТУ им. Э.Н.Баумана

Синицкий В.М.

Профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Машины и агрегаты металлургического производства» МИСиС

Чиченев Н.А.

Жиркин Ю.В. Надежность, эксплуатация и ремонт металлургиче-ских машин: Учебник. Часть1.- Магнитогорск: МГТУ, 2005. 230 с. ISBN 5-89514-331-8

Рассмотрены вопросы теории надежности и ее применения при эксплуатации металлургических машин. Решаются вопросы оптимизации при планировании ремонтных работ. На многочисленных примерах пока-зана возможность решения практических задач производства по поддер-жанию оборудования в работоспособном состоянии.

Учебник предназначен для студентов , обучающихся по специаль-ности 170300 «Металлургические машины и оборудование», может быть полезен студентам других специальностей, изучающим вопросы надежно-сти и эксплуатации машин и оборудования, а также инженерно-техническим работникам , занимающимся техническим обслуживанием и ремонтом механического оборудования металлургических заводов.

2

Оглавление

Предисловие 7

Методические указания 9

Введение 10

Часть 1. Надежность металлургических машин 12

Раздел 1. Основы теории надежности 12

Глава 1. Основные понятия и определения 12

Глава 2. Показатели надежности 15

Глава 3. Надежность невосстанавливаемого элемента 16

3.1. Вероятность отказа и вероятность безотказной работы. 16

3.2. Интенсивность отказов 17

3.3. Средняя наработка до отказа и другие

числовые характеристики надежности 23

Глава 4. Распределения, используемые в теории надежности 24

4.1. Распределения и область их применения 24

4.2. Экспоненциальный (показательный) закон 26

4.3. Нормальный закон 30

4.4. Логарифмически нормальный закон 35

4.5. Закон Вейбулла 38

4.6. Непараметрические классы распределений наработки .. 40

Упражнения 41

Глава 5. Надежность восстанавливаемого элемента 43

5.1. Восстанавливаемый элемент в случае мгновенного

восстановления 43

5.2. Распределение Пуассона 46

5.3. Восстанавливаемый элемент с конечным временем

восстановления 49

Упражнения 51

Глава 6. Надежность систем 52

6.1. Система с последовательным соединением элементов53

6.2. Система с параллельным соединением элементов 54

6.2.1. Система с нагруженным резервом 55

6.2.2. Система с ненагруженным резервом 56

Упражнения 59

Глава 7. Ремонтопригодность машин 60

Глава 8. Испытание на надежность 64

8.1. Сбор информации 64

8.2. Биноминальный план испытаний 67

8.3. Планы испытаний на надежность

с измерением наработки 69

3

Выводы 72

Раздел 2. Повышение надежности 73

Глава 1. Пути повышения безотказности 73

Глава 2. Повреждения деталей металлургических машин 75

2.1. Механические повреждения 75

2.2. Термические повреждения 76

2.3. Коррозионные повреждения 77

2.4. Эрозионные повреждения 78

2.5. Кавитационные повреждения 78

Глава 3. Износ деталей металлургических машин 79

Глава 4. Приработка трущихся поверхностей 82

Глава 5. Подбор материалов для узлов трения 85

Глава 6. Виды изнашивания 88

6.1. Характеристики нагруженности узла трения 88

6.2. Адгезионное изнашивание 92

6.3. Абразивное изнашивание 93

6.4. Окислительное изнашивание 93

6.5. Усталостное изнашивание 96

6.6. Фреттинг-коррозия 97

6.7. Избирательный перенос 97

Глава 7. Смазка и смазочные материалы 99

7.1. Виды смазки 99

7.2. Гидродинамическая жидкостная смазка 101

7.3. Гидростатическая жидкостная смазка 105

7.4. Эластогидродинамическая смазка 105

7.5. Граничная смазка 107

7.6. Смазочные материалы 111

7.6.1. Общая характеристика 111

7.6.2. Классификация минеральных масел 113

7.6.3. Показатели физических свойств

минеральных масел 115

7.6.4. Фильтрация масел 117

7.6.5. Регенерация минеральных масел 117

7.6.6. Пластичные смазочные материалы и их свойства119

7.6.7. Твердые смазочные материалы 120

Глава 8. Выбор смазочных материалов для узлов трения 121

8.1 . Методика выбора смазочных материалов 121

8.2 . Выбор вида смазочного материала 122

8.2.1. Общая характеристика смазочных материалов 122

8.2.2. Выбор вида смазочных материалов для

узлов трения 124

4

8.3 . Выбор марки минерального масла 127

8.3.1. Выбор марки минерального масла

для подшипников скольжения 127

8.3.2. Выбор марки минерального масла

для подшипников качения 130

8.3.3. Выбор марки минерального масла

для зубчатых зацеплений 131

8.3.4. Выбор марки минерального масла

для червячных передач 136

Задачи 139

Библиографический список 145

Приложение А.Оценивание показателей надежности 151

Глава 1. Определение параметров планов испытаний 152

Глава 2. Оценивание показателей безотказности 160

2.1. Оценивание показателей безотказности

на основе параметрических методов 160

2.2. Оценивание показателей безотказности

на основе непараметрических методов 170

2.3. Оценивание показателей безотказности при

испытании с измерением определяющего

параметра (величины износа) 175

Глава 3. Оценивание показателей долговечности 180

3.1. Модели оценивания 180

3.2. Непараметрические модели оценивания 181

3.3. Оценивание среднего ресурса на основании

информации о величине износа 183

3.4. Оценивание остаточного ресурса 190

Приложение Б. Значение функций и квантилей

распределений 193

Таблица 1. Нормированная функция Лапласа Ф(z) 194

Таблица 2. Значения ординат плотности нормированного

нормального распределения ϕ(z) 196

Таблица 3. Квантили нормального распределения, и_q. 198

Таблица 4. Квантиль распределения Стьюдента, t_q,m 201

Таблица 5. Квантиль распределения χ ² 203

Таблица 6. Значения Гамма-функции, Г(x) 205

Таблица 7. Распределение Пуассона 206

Таблица 8. Квантили распределений статистик V_q и V_q^γ 209

Таблица 9. Значения коэффициента К (q,γ ,N) 212

5

Таблица 10. Значения коэффициента ε_н для r/N > 0,3 214

Таблица 11. Значения коэффициента ε_н^γ для r/N > 0,3 214

Приложение В. Основные эксплуатационные свойства

смазочных материалов 216

Таблица 1. Основные эксплуатационные свойства

индустриальных масел 217

Таблица 2. Основные эксплуатационные свойства масел

для ПЖТ и редукторов прокатных станков 220

Таблица 3. Основные эксплуатационные свойства

специальных масел 221

Таблица 4. Основные эксплуатационные свойства

трансмиссионных масел 222

Таблица 5. Основные характеристики пластичных смазочных

материалов на мыльных загустителях 223

Таблица 6. Основные характеристики пластичных

смазочных материалов с присадками 225

Таблица 7. Основные характеристики пастообразных

и твердых смазочных материалов 226

Таблица 8. Основные характеристики самосмазывающихся

и металлокерамических материалов 228

6

ПРЕДИСЛОВИЕ

За последние годы произошли существенные изменения в экономике страны . Металлургические предприятия работают в ус-ловиях рыночных взаимоотношений. Качество продукции и рента-бельность определяют выживание и развитие предприятия. Дос-тичь этого возможно как на основе обновления основных фондов, соответствующих мировым стандартам, так и путем снижения за-трат на поддержание металлургических машин в работоспособном состоянии.

Возрастает потребность в специалистах, а именно в инжене-рах-механиках по специальности «Металлургические машины и оборудование», изучающих методологию решения таких задач в рамках дисциплины «Надежность, эксплуатация и ремонт метал-лургических машин».

За последние годы (последнее издание учебника по данной дисциплине было в 1982 году) получены новые научные знания и накоплен богатый опыт по эксплуатации и ремонту оборудования как на отечественных предприятиях, так и на предприятиях зару-бежных фирм.

Изданием данного учебника предполагается отразить со-временные достижения, обеспечивающие поддержание оборудо-вания в работоспособном состоянии, наряду с зарекомендовав-шими себя на предприятиях традиционными техническими и орга-низационными решениями.

Учебник состоит из двух частей и трех приложений.

В первой части сосредоточен материал по основам теории надежности и путям повышения надежности машин, а рассмотрен-ные многочисленные примеры позволят студентам лучше вникнуть в суть рассматриваемых проблем.

Во второй части учебника рассматриваются проблемы экс - плуатации и ремонта металлургических машин и пути их решения.

Важными составляющими этих проблем являются оценка технического состояния металлургических машин и принятие оп-тимальных решений. То есть решений, обеспечивающих необхо-димый уровень надежности с минимальными затратами.

В приложении А рассмотрена методика оценивания показа-телей надежности, что позволяет студентам оценивать техниче-ское состояние машин на основе статистических данных об отка-зах оборудования.

Приложение Б содержит справочный материал, необходи-мый при решении задач надежности.

7

Приведенный в приложении В материал позволяет осущест-влять подбор марки смазочного материала в узлы трения метал-лургических машин.

Справочный материал, содержащийся в учебнике, позволяет в большинстве случаев решать задачи, не прибегая к специальной справочной литературе.

Представленный в учебнике материал может быть полезен и студентам других специальностей при изучении вопросов надежно-сти и эксплуатации оборудования, которые являются общими для механических систем независимо от их конструктивного исполнения.

Учебник может быть рекомендован слушателям курсов по переподготовке специалистов, осуществляющих эксплуатацию и ремонт металлургических машин.

Автор выражает искреннюю признательность Синицкому В.М. профессору, доктору технических наук, заведующему кафед-рой "Автоматизированные металлургические машины и агрегаты" МГТУ им. Баумана Э.Н. за высказанные критические замечания, позволившие повысить качество изложения материала и благода-рит за поддержку Чиченева Н.А. профессора, доктора технических наук, заведующего кафедрой "Машины и агрегаты металлургиче-ского производства" МИСиС.

Автор сердечно благодарит за набор компьютерной версии учебника Азаренкова В.А.

8

Методические указания

Изучение любой дисциплины идет успешнее, когда студент не только прослушает курс лекций, усвоит материал учебника, но и самостоятельно решит конкретные задачи из практики эксплуата-ции и ремонта оборудования.

Очень важно освоить термины и определения теории на-дежности, усвоить физический смысл основных показателей на-дежности . Так как их неверная трактовка существенно затруднит изучение материала в последующем.

Для закрепления теоретического материала необходимо решить несколько задач и упражнений. Осмысление полученных результатов позволит понять взаимосвязи различных показателей надежности и принимать верные решения при эксплуатации и ре-монте металлургических машин.

Изучение материала должно идти последовательно от раз-дела к разделу.

Усвоив материал раздела, приступайте к решению 2-3 задач или упражнений. Если решение задач не вызывает затруднений, приступайте к изучению следующего раздела. При появлении за-труднений еще раз внимательно вникните в смысл рассмотренных вопросов и в методику решения рассмотренных вопросов. Затем решите еще 2-3 задачи.

Самостоятельно выполненное решение не менее 30% задач и упражнений от общего их числа позволит почувствовать уверен-ность в своих силах по решению конкретных вопросов надежности, эксплуатации и ремонта металлургических машин.

Изучение дисциплины предусматривает выполнение лабо-раторного практикума и курсового проекта на базе материала, из-ложенного в учебнике.

Качество выполнения курсового проекта позволяет оценить способность студентов технически грамотно решать практические задачи на основе приобретенных знаний.

9

ВВЕДЕНИЕ

Металлургические машины являются сложными техническими системами непрерывного действия, большой единичной производи-тельности, работающими в условиях интенсивного нагружения и не-благоприятной окружающей среды.

• состав агрегатов входят десятки машин, сотни единиц узлов и тысячи деталей, каждая из которых имеет свой определенный, заранее неизвестный срок службы. Поэтому время нахождения оборудования в работоспособном состоянии является величиной случайной и с тече-нием времени отказ неизбежен.

Для поддержания оборудования в работоспособном состоянии на металлургических предприятиях действует система технического обслуживания и ремонтов машин и агрегатов, призванная обеспечить безотказную работу в межремонтный период.

• период плановых остановок оборудования проводится боль-шой объем ремонтно-восстановительных работ и тем не менее не уда-ется избежать отказов, приводящих к потерям производства и допол-нительным затратам на восстановление. Другая проблема заключает-ся в том, что при существующей системе учета отказов оборудования нет объективной информации о техническом состоянии оборудования и, следовательно, присущ субъективный подход к определению содер-жания и объема ремонтных работ. Оптимальное планирование объема ремонтных работ, в принципе, невозможно, так как имеющаяся инфор-мация не приспособлена для обработки на ЭВМ.

Следует заметить, что только наличие объективной информации

• техническом состоянии оборудования, возможность обработки ее на ЭВМ позволяют использовать возможности, предоставляемые теорией надежности.

  • противном случае теория надежности остается только теори-ей, позволяющей понимать закономерности возникновения отказов, взаимосвязь элементов системы, поведение системы с течением вре-мени, но не способной прогнозировать и выдавать рекомендации для принятия решений.

То есть отсутствие информации о работоспособном состоянии машины с течением времени есть отсутствие информации о свойстве, присущем любой машине.

Это несколько абстрактное, но важное свойство машины получи-ло название надежность.

Содержание понятия надежность в соответствии с ГОСТ 27.002.-89 («Надежность в технике. Понятия и определения») опреде-ляется как свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность

10

выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях при-менения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспор-тирования.

Надежность является сложным свойством, которое в зависимо-сти от назначения объекта и условия его применения является сочета-нием таких свойств, как безотказность, долговечность, ремонтопригод-ность и сохраняемость.

Для металлургических машин характерным является сочетание первых трех вышеперечисленных свойств.

Под безотказностью понимается свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению, обнаружению причин возник-новения отказов, повреждений, а также поддержанию и восстановле-нию работоспособного состояния путем проведения технического об-служивания и ремонтов.

Знание этих свойств и закономерностей их изменения с течени-ем времени позволяет решать многие практические задачи не только по обеспечению определенного уровня надежности, но и по его повы-шению.

Решение задач надежности должно тесно увязываться с эконо-мическими вопросами.

Как правило, мероприятия, направленные на повышение показа-телей надежности, требуют существенных затрат на их реализацию, которые в ряде случаев могут превысить затраты, связанные с под-держанием оборудования в работоспособном состоянии на прежнем уровне. И в этом случае необходимо отказаться от таких мероприятий (если не идет речь о здоровье людей), либо искать другие приемлемые решения.

И только тогда , когда выбрано направление повышения надеж-ности оборудования, установлены критерии его предельного состояния и обоснована стратегия восстановления, возможно повышение эффек-тивности принимаемых технических решений по ремонту узлов и дета-лей. Для металлургических машин, как машин с длительным сроком службы (десятки лет) такие решения должны обеспечивать не только поддержание определенного уровня надежности, но и приводить к его росту.

11