Методическое пособие 755

К определению отказа следует подходить на основе анализа методов обслуживания и эксплуатации, применяемых для станков данного типа. Те кратковременные вмешательства рабочего в технологический процесс и в подналадку станка, которые регламентированы системой обслуживания и вызваны недостаточной степенью развития станка, не следует включать в понятие «отказ» (выход из строя). Например, подналадка и замена инструмента, регулирование механизмов, профилактические работы для многих современных станков включены в нормативы технологического и межремонтного обслуживания. Чем выше степень совершенства станка, тем меньше таких «узаконенных» отказов, тем больше приспособлен станок к непрерывной работе.

Принято, что основным показателем надежности машин и станков является вероятность безотказной работы изделия P(t) в пределах заданного времени t=T. Вероятность безотказной работы P(t)1, которую можно назвать коэффициентом надежности (безразмерная величина), оценивает вероятность того, что за период времени Т при заданных режимах работы и условиях эксплуатации машины отказ не возникнет. Например, если вероятность безотказной работы станка в течение t = 1000 часов работы равняется 0,95, то это означает, что из всего количества станков данной модели в среднем около 5% станков потеряет свою работоспособность раньше, чем через 1000 ч. Время Т, в течение которого гарантируется установленное значение безотказной работы P(t), называется гарантированным сроком службы станка. Следует отметить, что при оценке надежности машины важен факт прекращения нормального функционирования машины (ее отказ) и не имеет значения время или средства, необходимые для восстановления утраченной работоспособности.

Безотказность работы машины (станка) могут также характеризовать следующие показатели.

Наработка на отказ — среднее значение времени работы между отказами.

Интенсивность отказов — отношение среднего числа изделий , отказавших в единицу времени , к числу изделий N, безотказно

41

Надежность станка характеризует лишь одну сторону сохранения его работоспособности стечением времени, не рассматривая длительности всех тех отказов, которые возникают при эксплуатации и влияют на его работоспособность.

Так как долговечность — это свойство изделия сохранять работоспособность в течение всего срока службы, то установим, срок службы ограничивается физической стойкостью изделия или экономическими факторами. Так, для станков это либо время до капитального ремонта, либо весь период эксплуатации станка до его морального износа.

С другой стороны, долговечность станка характеризует его способность выполнять свои рабочие функции с минимальными затратами на замену износившихся деталей, подналадку, ремонт и обслуживание. Поэтому, чем меньше суммарные затраты времени и средств, идущих на восстановление работоспособности станка в течение всего периода его эксплуатации, тем выше его долговечность.

Показателем долговечности работы станка может служить коэффициент долговечности , который равняется отношению времени фактической работы к суммарному времени работы станка и его простоев в ремонте

где — время работы станка за весь период эксплуатации;

— суммарное время простоев станка по причине отказов (ремонт, регулировки и т. п.) за весь период эксплуатации.

Коэффициент долговечности (коэффициент технического использования) является безразмерной величиной , и чем выше его значение, тем долговечнее станок. Коэффициент долговечности численно равен вероятности того, что в данный произвольно взятый момент времени станок работает, а не ремонтируется.

Например, если = 0,96, то это означает, что 96% времени станок работает, а 4% простаивает за весь период эксплуатации. Вероятность того, что станок работает в данное произвольно взятое время, а не находится в ремонте, составляет 0,96.

Простои станка, снижающие его долговечность, вызываются различными причинами, но, в первую очередь, выходом из строя некоторых деталей, потерей работоспособности передач и механизмов,

42

изменением начальных служебных характеристик станка (точности, виброустойчивоcти) и т. д.

Потеря долговечности и надежности обусловлена в основном медленно протекающими процессами, которые приводят к выходу из строя (отказам) отдельных узлов и элементов.

Надежность и долговечность не идентичные понятия, они отражают разные стороны одного явления. Станок может быть надежным, но не долговечным. Это характерно для случая, когда он с высокой степенью безотказности работает заданный период времени, а затем выходит из строя. При этом на восстановление его работоспособности затрачивается много времени и средств, т. е. станок имеет высокое значение коэффициента надежности P(t) и низкое значение коэффициента долговечности . Станок может быть долговечным, но не надежным. Это характерно для случая, когда заданный период времени станок работает с низкой степенью безотказности. Он часто нуждается в подналадке и ремонте. Однако время, которое затрачивается на восстановление работоспособности станка, невелико. Оно требуется, например, для быстрой замены недорогой детали, выходящей из строя. Малы также и другие затраты на ремонт. В этом случае станок имеет низкое значение P(t) и высокое .

Показатели надежности и долговечности машины связаны со сроками службы ее деталей и элементов.

3.2 Сроки службы деталей и узлов станков

Срок службы Т является основной характеристикой долговечности и надежности детали и ее элемента.

Срок службы измеряется: а) временем работы машины в часах или эквивалентным показателем (например, числом циклов) для тех деталей и узлов (блоков), причина выхода из строя которых зависит от длительности работы детали (износа, усталостного разрушения);

б) календарным временем нахождения детали в машине, если причиной выхода из строя детали является коррозия, старение или другой аналогичный процесс.

Для станков срок службы деталей и узлов целесообразнее измерять временем работы, делая соответствующие пересчеты для процессов, зависящих от календарного времени. При этом одна деталь

43

может иметь несколько сроков службы в соответствии с причинами выхода из строя ее элементов. Это относится и к узлу, но для узла необходимо учитывать работоспособность каждой детали в отдельности, а также знать влияние взаимосвязей деталей узла друг на друга. Следовательно, оценка работоспособности узла и входящей в него любой деталей даст разные результаты и хотя эти процессы взаимосвязанные, но исследовать их надо по - разному.

Например, шпиндель станка может выйти из строя в результате износа шейки, смятия шлицев, деформации тела шпинделя и его усталостного разрушения. Соответственно и методы восстановления утраченной работоспособности различны: шлифование шейки под подшипник скольжения, восстановление шлицев, правка шпинделя или его замена. Однако если мы восстанавливаем (заменяем при ремонте) в шпиндельном узле лишь деталь - шпиндель, то подшипник еще долго может служить в этот (или другом) узле. Или иной пример. При выходе из строя шпиндельного узла из-за поломки подшипника после ремонта с заменой подшипника шпиндель-деталь ещѐ долгое время может служить исправно, не ухудшая показатель точности обработки на станке в целом.

Ограниченный срок службы деталей станков, как и других машин, обусловлен многими причинами, но две из них являются основными причинами. При этом главной причиной для деталей станков является протекание разнообразных внутренних процессов, которые постепенно ухудшают начальные показатели детали, это износ, деформация, коррозия и др. В этом случае скоростью срок службы детали или ее элемента определяется протекания процесса и тем предельным состоянием, которое допускается для данной детали.

Исследование подобных процессов свидетельствует о том, что они принадлежат к категории случайных функций, так как заранее нельзя установить, какая из реализаций функции будет иметь место. Поэтому протекание данного процесса, например изнашивания, характеризуется семейством кривых (рис. 9, а), каждая из которых имеет определенную вероятность реализации. Это приводит к рассеиванию сроков службы деталей и необходимости оценивать их, пользуясь понятиями теории вероятностей. Причина рассеивания скоростей протекания процесса заключается в том, что функциональная зависимость скорости процесса (например, скорости изнашивания V) от от-

44

дельных параметров — нагрузки Р, скорости скольжения v, технологических факторов , эксплуатационных факторов — это функция случайных аргументов

При работе станка происходят изменения и колебания нагрузок Р, скоростей v, методов смазки и степени загрязнения поверхностей трения , а детали выполнены с отклонением в пределах допуска их технологических параметров — чистоты поверхности, точности, твердости и др. Следовательно, эти аргументы являются случайными величинами, имеющими определенное рассеивание (дисперсию). Если считать их независимыми, то математическое ожидание (среднее значение) функции износа равно произведению математических ожиданий аргументов, а дисперсия (рассеивание значений) равняется произведению дисперсий случайных аргументов (для так называемых центрированных величин). Следовательно, происходит рассеивание сроков службы деталей, которое характеризуется функцией плотности распределения f(t) (рис. 9, б).

В большинстве случаев сроки службы следует определять по нормальному закону распределения (закону Гаусса), для которого

где — математическое ожидание (средний срок службы); — среднее квадратичное отклонение; — дисперсия.

Кривая распределения f(t) дает возможность подсчитать средний срок службы детали (математическое ожидание) и рассеивание (дисперсию) этих сроков службы относительно центра группирования.

Если взять некоторый период времени работы детали t, то площадь F(t) кривой f(t) будет характеризовать вероятность отказа (выхода из строя) детали за этот период времени (рис. 9, б). Левая ветвь кривой f(t), относящаяся к области малой вероятности отказов, используется обычно для характеристики надежности изделия, а вся

45

кривая f(t) и ее параметры необходимы для оценки долговечности изделия. Интегральная функция распределения F(t) показана на рис. 9, в, а ее связь с показателями надежности рассмотрена ниже.

Рис. 9. Рассеивание сроков службы детали как следствие вероятностного характера процесса разрушения

Предельное состояние изделия , которое допускается, необходимо рассчитывать, исходя из потери деталью своей работоспособности. Если известна случайная функция , которая характеризует скорость протекания процесса (скорость изнашивания), то срок службы определяют как

Обычно все отказы, которые вызваны протеканием вредных процессов в машине, называют износовыми. Но существуют и так называемые внезапные отказы, которые определяют срок службы тех деталей, выход из строя которых не связан с процессами, происходящими в детали, а является следствием сочетания неблагоприятных факторов. Примерами таких отказов могут быть: тепловые трещины, возникшие в детали вследствие прекращения подачи смазки; поломка

46

детали; деформация или поломки деталей из-за такого сочетания условий работы, когда каждый параметр принимает экстремальное значение (наибольшие нагрузки, повышенную температуру и другие.

Взависимости от условий эксплуатации машины и ее конструкции все время существует вероятность внезапного отказа, и этот поток отказов (рис. 10, а) учитывают при оценке надежности машины. Однако для станков внезапные отказы играют значительно меньшую роль, чем износовые.

Втеории надежности доказывается, что плотность распределения f(t) внезапных отказов часто может подчиняться экспоненциальному закону (рис.10, б)

Рис. 10. Экспоненциальный закон надежности

Для экспоненциального закона наработка на отказ (средний срок службы) равна

3.3 Методики расчета деталей станков на изнашивание

47

Расчет деталей станков на изнашивание позволит прогнозировать износовые отказы и устанавливать предельные состояния деталей по износу. Обычно в станках применяют следующие виды расчета на изнашивание //.

1.Расчет по удельным давлениям. Этот расчет заключается в подсчете удельных давлений (средние или максимальные), действующих на поверхности трения, и полученные значения сравнивают с допускаемыми. Допускаемые удельные давления берут, как правило, из практики, и их значения соответствуют длительному сохранению работоспособности сопряжения для аналогичных условий работы. По удельным давлениям часто рассчитывают направляющие скольжения станков, гайки ответственных ходовых винтов, некоторые типы подшипников скольжения и другие сопряжения.

Удельное давление — один из главных, но не единственный фактор, определяющий скорость изнашивания. Поэтому расчеты по удельным давлениям дают лишь сугубо ориентировочные сравнительные данные по размерам сопряжений, а в ряде случаев могут привести к неправильным выводам о способах повышения износостойкости конструкции. Они не дают возможности определить срок службы детали по износу.

2.Расчет величины износа и формы изношенной поверхности.

Этот вид расчета позволяет найти основные пути повышения долговечности сопряжения как при конструировании, так и при эксплуатации станков. Он является базой для определения сроков службы и предельно допустимых износов деталей и узлов.

При расчете формы изношенной поверхности определяют величину линейного износа U в каждой точке поверхности сопряжения деталей, характер эпюры удельных давлений р на поверхности трения и изменение взаимного положения элементов кинематической пары, которое произошло в результате износа, т. е. износ сопряжения .

Эти расчеты базируются на закономерностях изнашивания материалов и учитывают конфигурацию сопряжения .

Для пояснения методики расчета на изнашивание рассмотрим в общем виде этапы расчета поверхностей вращения, нагруженных осевой силой Р и имеющих относительное число оборотов в единицу времени n (рис. 11, а). К сопряжениям такого типа относят дисковые, конические, сферические и другие поверхности, которые имеются в

48

фрикционных муфтах и тормозах, направляющих кругового движения, подпятниках и других элементах станков.

Рис. 11. Износ тел вращения (а) и кольцевых поверхностей (б)

Исходными зависимостями при расчете на изнашивание являются следующие. Во-первых, законы изнашивания материалов, которые показывают зависимость скорости изнашивания от удельного давления р и скорости относительного скольжения v для данных материалов пары и условий ее работы

49

где U – величина износа, k – коэффициент прпорциональности, p- удельное давление, s – путь трения, v – скорость скольжения, t - время изнашивания, γ – скорость абразивного изнашивания.

Во-вторых, исходным являются зависимости, характеризующие

личина взаимного сближения сопряженрых деталей при износе их

рость изнашивания сопряжения. Соотношение износов материалов пары можно характеризовать величиной

3. Расчет сопряжений содержит следующие этапы.

3.1.Определение характера эпюры удельных давлений. Линейная скорость v на поверхности зависит от радиуса ρ.

=

Поэтому законы изнашивания материалов формулы (30) можно представить как

Например, при законах абразивного изнашивания

(37)

.

Подставляя значения и в формулу (34), получаем выражение для скорости изнашивания сопряжения, которое имеет вид:

. ( 38)

Для законов абразивного изнашивания имеем

50