книги из ГПНТБ / Эксплуатационная надежность сельскохозяйственных машин

Эксплуатационные издержки на единицу производи­

при Цб.т = 3135 руб, Гг>т= 1840 ч[1Х.8], остальные исход­ ные данные приведены выше.

После вычислений найдем Эг> э. п = 1460 000 руб. Как видим, экономический эффект, полученный из-за сокра­ щения простоев, значительно превосходит отрицательное значение эффективности в сфере производства.

Подсчитаем экономию от сокращения затрат на при­ обретение и замену деталей. Цены комплектов серийных

машины, т. е. равен 6 годам. Оплата комбайнеру за установку, замену и заточку серийных ножей определя­ ется по формуле:

где t — время на снятие, установку и заточку ножа, ч; п0 — количество переточек серийного ножа за весь

срок службы;

N — количество ножей на машине.

Подставив в формулу (9.23) .исходные данные

/=0,362 ч, «о=18 (данные МИС), N = 3, найдем f0 = = 15,6 руб. Заработная плата комбайнера за снятие, установку и заточку ножей повышенной долговечности определяется по (9.23), но при меньшем количестве пере­ точек «о=11, в этом случае fi= 9,5 руб. Капитальные вложения в сельском хозяйстве определены по формуле (9.17). После вычислений, найдем Эг>э. 3, м =82430 руб.

Как видим, это слагаемое экономического эффекта гораздо меньше экономического эффекта от сокращения простоев. Суммарный экономический эффект, учитываю­ щий все слагаемые, Эг=1 510 830 руб. Из этого примера видна исключительно высокая экономическая эффектив­ ность мероприятий по повышению надежности, особен­

191

Г л а в а X. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

Совершенствование и создание новых сельскохозяй­ ственных машин характеризуется рядом этапов:

1. Конструктивный, связанный с выбором или изме­ нением параметров машины, размеров, формы и мате­ риала детали, нагрузки, удельного давления, скорости скольжения, системы смазки и др.

2.Технологический, связанный с различными метода­ ми обработки деталей, изменением свойств поверхност­ ных слоев и др.

3.Эксплуатационный, связанный с рациональным ис­

пользованием машины, — техническое обслуживание, диагностика, ремонтопригодность и др. (см. гл. VII и VIII).

На каждом из перечисленных этапов возникают про­ блемные задачи по повышению надежности изделий, смысл которых сводится к следующему: исходя из тре­ бований сельского хозяйства спроектировать надежные машины, обеспечить заложенную при проектировании надежность при изготовлении и сохранить достигнутую надежность при хранении и эксплуатации.

1.Повышение надежности при проектировании

имодернизации машин

Сельскохозяйственная машина в процессе эксплуата­ ции имеет (гл. IV), в основном, две группы отказов: внезапные и постепенные.

Внезапные отказы возникают в результате превыше­ ния предельнодопустимой нагрузки силами, действующи­ ми на деталь. От соотношения средних значений действующих сил и несущей способности (предельной нагрузки) и их возможных отклонений в процессе экс­ плуатации зависит безотказность машины. Поэтому при проектировании новых машин конструктору необходимо с учетом технико-экономических данных назначить опре­ деленный запас прочности. Расчеты показывают, что при увеличении запаса прочности от 0 до 2 вероятность без­ отказной работы существенно возрастает, а свыше

193

трех — практически остается без изменения, то есть не зависит от запаса прочности [VI.I].

Запас прочности можно повысить за счет увеличения несущей способности, под которой понимают размеры деталей с учетом предела прочности при различных де­ формациях, предела усталости и других механических характеристик материала, от которых зависит работо­ способность детали. Так, при разработке дисковых но­ жей свеклоуборочного комбайна КСТ-3 [X.I] после рас­ смотрения характеристик (предел прочности, ударная вязкость, относительное удлинение) конструкционных сталей и данных расчета, на испытания были поставлены ножи из стали Ст. 3 (серийный вариант), 40Х и 65Г. В результате проведенных испытаний на стенде и в усло­ виях эксплуатации, ножи из стали 65Г не имели поло­ мок режущей кромки и не были деформированы, в то время как серийные ножи имели эти отказы через 30—■

50 га [Х.1].

Запас прочности можно также увеличить путем сни­ жения нагруженности деталей за счет изменения формы поверхности рабочих органов и деталей. Например, при проектировании лущильника поверхность диска была выполнена комбинированно (не рабочая часть —• сфе­ рической, а рабочая — в виде поверхности параболоида вращения [Х.22]), в результате чего нагрузки на рабочий орган уменьшались и надежность его значительно воз­ росла.

В реальных условиях эксплуатации встречаются на­ грузки, значительно превосходящие несущую способ­ ность (попадание в рабочие органы посторонних пред­ метов и др.). Повысить надежность в этом случае можно за счет установки предохранительных муфт. В сельско­ хозяйственных машинах нашли широкое распростране­ ние кулачковые муфты, надежность срабатывания кото­ рых в значительной степени зависит от состояния пар трения. С целью снижения трения можно рекомендовать металлокерамические втулки, применение которых на свеклоуборочном комбайне КСТ-3 позволило существен­ но повысить безотказность срабатывания муфт.

Следующая группа отказов сельскохозяйственных машин — постепенные, которые возникают при превы­ шении износа рабочих органов и отдельных деталей до­ пустимой нормы, определяемой в зависимости от назна­ чения и предъявляемых требовании к детали, исходя из выполнения технологического процесса или их работо­

194

способности. Для рассматриваемого случая безотказная работа зависит от начальных размеров детали и ее из­ носостойкости (или скорости изнашивания). Причем на­ чальные параметры определяют начальное качество, обусловленное определенным способом изготовления (чистота поверхности, класс точности обработки, твер­ дость и т. д.), а скорость изнашивания зависит от на­ чального качества и сил, действующих на деталь.

Конструктор может повысить надежность изнашивае­ мых деталей, применяя более износостойкие материалы, что равносильно снижению скорости изнашивания, кото­ рая, в свою очередь, зависит от удельного давления и относительного скольжения деталей. Надежность тере­ бильного аппарата свеклоуборочного комбайна КСТ-3 была повышена за счет частичного снижения удельных давлений и устранения проскальзывания путем рацио­ нального расположения в пространстве трущихся дета­ лей [Х.12].

В некоторых случаях конструктивные решения по снижению нагруженное™ элементов машин являются наиболее целесообразными и единственными. Так, ВИСХОМом [Х.19] разработаны высоконадежные пыле­ защитные уплотнения подшипниковых узлов, позволяю­ щие снизить загрязнения смазки абразивом в 5—10 раз, что равноценно снижению нагруженное™ подшипников. Предложения по изменению формы и размеров насеч­ ки сегментов уборочных машин существенно повышают срок службы режущих аппаратов за счет снижения нагрузок на рабочие грани сегментов [Х.З].

Конструктивные способы повышения надежности ма­ шин позволяют не только снижать нагруженность, но и в некоторых случаях ее видоизменять. Характерным для этого случая является замена колебательных пар трения на жесткое соединение двух эластичных звеньев меха­ низма. Такой способ нашел применение в грохотах сель­ скохозяйственных и угольных машин (Х.15].

■ Основная задача конструктора при проектировании сельскохозяйственных машин заключается в обеспечении безотказной работы машины. При возникновении отказа машины необходимо, чтобы ее конструкция была при­ способлена к восстановлению этого отказа за короткое время. Таким образом, задача конструктора заключает­ ся в сокращении простоев машины, то есть в обеспече­ нии ее ремонтопригодности и равнопрочное™. Вопросы ремонтопригодности изложены в других разделах книги,

195

здесь мы рассмотрим рекомендации по обеспечению равнопрочное™.

При создании машин конструкторы должны стре­ миться к обеспечению равнопрочное™ деталей и узлов. Это стремление обусловлено прежде всего экономически­ ми соображениями. Равнопрочное™ деталей позволяет экономить материал. Рассмотрим факторы, влияющие на равнопрочное™ машины.

Различают равнопрочность детали, узла, машины. В связи с нагруженностью детали ее форму выбирают такой, чтобы максимальные напряжения во всех сечениях были одинаковы. Осуществление таких конструкций деталей представляет значительные трудности, преиму­ щественно технологического характера. Поэтому детали с формами «равного сопротивления» заменяются более технологическими путем увеличения теоретических раз­ меров сечения, т. е. повышением запаса прочности. Од­ нако необходимо учитывать при этом масштабный фак­ тор, который проявляется при действии переменных нагрузок, заключающийся в том, что с увеличением се­ чения может произойти снижение запаса прочности. Следует иметь в виду, что при прочих равных условиях жесткость равнопрочных деталей меньше, чем жесткость деталей, имеющих хотя бы местные повышенные запасы прочности.

Термин «равнопрочность» для узла и машины неко­ торые авторы [Х.10] рекомендуют заменить на «неравнопрочность». Это совершенно справедливо, так как в действительности узлы любой сложной машины имеют в основном различную прочность и долговечность. Одни детали узла выходят из строя за время «жизни» машины несколько раз, другие же и по истечении срока службы машины являются пригодными для использования. При­ чины неравнопрочности деталей заключаются в разно­ образии выполняемых ими функций: колебания нагру­ женное™, качества изготовления и эксплуатации. Дета­ ли одного и того же узла испытывают различные дефор­ мации, одни подвергаются изгибу, смятию, другие — растяжению, сжатию и истиранию. В связи с этим прак­ тически очень трудно обеспечить равнопрочность конст­ рукции узла. Изменение условий работы машины также влияет на нарушение равнопрочное™.

Эффект равнопрочное™ численно можно оценить удельными затратами на осуществление замен недолго­ вечных деталей за весь срок службы машины [Х.10,18]

196

или величиной, обратной количеству замен за этот же срок службы.

Целесообразно оценку равнопрочности выполнять в функции времени, поскольку равнопрочность на некото­ ром отрезке времени может в последующем нарушаться.

2. Повышение надежности машин при их производстве

Если от конструктора зависит выбор среднего значе­ ния несущей способности, то обеспечение в производстве минимальных отклонений несущей способности отдель­ ных деталей от их среднего значения целиком зависит от совершенства технологического процесса. Характер­ ным примером влияния производства на надежность машин могут служить показатели готовности машины в первый и во второй год выпуска. Так, коэффициент го­ товности свеклоуборочного комбайна КС-3 в 1963 г. был равен 0,57, а на второй год выпуска — 0,73. В по­ следующие годы коэффициент готовности увеличивался постепенно. Резкое увеличение коэффициента готовности во второй год выпуска объясняется улучшением качества изготовления машины, отработкой технологии изготов­ ления, устранением производственного брака.

Большинство деталей сельскохозяйственных машин обрабатываются резанием, а также холодным и полугорячим пластическим деформированием. Последний спо­ соб находит все более широкое применение вследствие высокой производительности, низкой себестоимости и упрочняющего воздействия. Так, замена точеных крепеж­ ных изделий на изделия, полученные методом холодной высадки, позволяет снизить их себестоимость в 5—10 раз при увеличении производительности в 10—20 раз и по­ вышении прочности изделий из стали 08КП до прочности сталей 25—35 [Х.8]. Упрочнение металла при обработке давлением происходит в результате превращения рых­ лой структуры слитка в уплотненную структуру с ориен­ тированным направлением кристаллитов, т. е. обработка давлением позволяет устранить дефекты на границах зерен, полученных при литье заготовок или неполностью устраненных при прокатке стандартных профилей заго­ товок. Таким способом могут изготовляться детали типа стаканов и поршневых пальцев с размерами до 100 мм.

197

Детали с большими размерами можно изготавливать этим способом, но необходимо применять подогрев.

Неоднородность структуры металла детали порож­ дает внутренние напряжения, которые с напряжениями, вызываемыми действием внешних нагрузок, определяют реальную прочность детали. Внутренние напряжения зависят от технологии изготовления детали и могут ока­ зывать разупрочняющее и упрочняющее действие. К числу упрочняющих факторов относятся процессы «тре­ нировки» материала действием кратковременных напря­ жений, превосходящих предел текучести, деформацион­ ное упрочнение, вызываемое структурными изменениями в напряженных микрообъемах материала; самопроиз­ вольно протекающие процессы старения, сопровождаю­ щиеся кристаллической перестройкой материала и рас­ сеиванием внутренних напряжений. Разупрочняющие факторы действуют, в основном, в условиях эксплуата­ ции (коррозия, износ идр.) [Х.14].

Технологическая обработка представляет собой мно­ гостадийный процесс, поэтому внутренние напряжения в готовой детали являются результатом наложения и взаимодействия напряжений, возникающих на каждой стадии процесса. Неоднородности слитка переходят в паковку или прокат, горячая обработка давлением вво­ дит новые неоднородности, а механическая обработка вызывает перераспределение напряжений, имеющих место в заготовках, и вносит в поверхностные слои до­ полнительные напряжения. Термическая обработка, час­ тично устраняя напряжения, возникающие на предшест­ вующих стадиях, вместе с тем вызывает появление новых напряжений.

Для практических целей необходимо, чтобы знак внутренних и рабочих напряжений был разным. В этом случае внутренние напряжения могут повысить предел прочности материала, в противном случае возможна в отдельных местах детали концентрация напряжений, приводящих к поломке детали.

Различают два способа упрочнения — упругое и пластическое. Упругое упрочнение скорее всего относит­ ся к конструктивному способу повышения надежности машин. Сущность его заключается в создании в детали деформаций (напряжений), противоположных деформа­ циям при рабочем нагружении. Примером этого вида упрочнения могут служить рамные конструкции широко­ захватных сельскохозяйственных машин (сеялки, проре-

198

живатели и др.), деформированные шпренгелями-стерж- нями из высокопрочного материала. Во время работы рама вначале разгружается, потом нагружается рабочей нагрузкой, а шпренгель только нагружается.

При пластическом упрочнении участки материала, наиболее нагруженные в рабочем состоянии, предвари­ тельно подвергают пластической деформации, создавая в них остаточные напряжения, противоположные по зна­ ку рабочим. Различают следующие виды пластического упрочнения: упрочнение перегрузкой, наклепом, объем­ ным уплотнением.

Упрочнение перегрузкой заключается в воздействии на деталь повышенной силы того же направления, что и рабочая, вызывающая пластические деформации крайних волокон. Например, при изгибе бруса силой того же направления, что и рабочая нагрузка, но большей вели­ чины, в крайних волокнах возникает пластическая де­ формация, а в средних упругая. После снятия упрочняю­ щей нагрузки под действием упругой деформации серд­ цевины в наружных волокнах появляются напряжения обратного знака рабочим напряжениям. Таким спосо­ бом упрочняют также резервуары и детали, работающие на изгиб и кручение при нагрузке одного знака.

Разновидностью пластического упрочнения является поверхностный наклеп, заключающийся в уплотнении поверхностного слоя на глубину в среднем 0,2—0,8 мм и создании в нем благоприятных для прочности напря­ жений сжатия. Наклеп может создаваться струей дро­ би. Поток чугунной или стальной дроби диаметром 0,3— 2,0 мм с очень большой скоростью ударяется о поверх­ ность детади, вызывая напряжения до 100 кГ/мм2. Дро­ беструйному упрочнению подвергают рессоры, пружины, шестерни, различные валы, втулки, поршневые пальцы. После дробеструйного наклепа срок службы рессор увеличивается в 2,5—3,0 раза, а шестерен, в зависимости от материала, .— до 5 раз. В результате обработки дробью уничтожаются неблагоприятные напряжения рас­ тяжения, возникающие на поверхности после шлифовки, снижается чувствительность резких переходов детали к концентрации напряжений при закалке.

Другой разновидностью поверхностного упрочнения деталей является пластическая деформация — упрочне­ ние обработкой роликами и резцами наружных поверх­ ностей деталей и дорнами для отверстий. Сущность метода состоит в том, что готовая деталь обкатывается

199

свободно вращающимися роликами или обрабатывается резцами с отрицательными передними углами и Дорна­ ми. Этот способ значительно улучшает сопротивление усталости детали, причем его эффективность выше, чем

прочности являются гидроструйный наклеп и упрочнение взрывом. Первый метод применяется в основном для упрочнения литья и одновременно для очистки детали от формовочного песка, второй — для упрочнения (по­ вышения твердости в 1,5—2,0 раза) высокомарганцо­ вистых сталей (Г13 и др.). Наклеп, проведенный этими методами, повышает предел выносливости на 40—50% по сравнению с обработкой дробью [Х.6].

Как же влияет наклеп на износостойкость материала? Исследования, проведенные Хрущовым М. М. и Бабиче­ вым М. А. [Х.21] по влиянию наклепа на износостойкость, показывают, что наклеп практически не влияет на абра­ зивную износостойкость. Однако необходимо иметь в виду, что опыты были проведены при трении металла о фиксированные абразивные зерна, то есть в случае, ко­ торый в чистом виде практически не встречается в сель­ скохозяйственных машинах. Обычно износ деталей пред­ ставляет собой совокупность процессов микрорезания и пластического передеформирования микрообъемов, раз­ рушающихся по причине усталости. Таким образом, из­ нос наклепанных деталей в реальных условиях эксплуа­ тации будет зависеть от соотношения процесса микроре­ зания и пластического передеформирования микрообъе­ мов, которые устанавливаются экспериментально.

Существенное влияние на надежность машин оказы­ вают термическая и химико-термическая обработки.

Остановимся на некоторых способах закалки, раз­ работанных в последнее время и находящих ограничен­ ное применение. Здесь прежде всего необходимо отме­ тить изотермическую закалку в горячих средах, которая позволяет повысить в два раза износостойкость деталей при одинаковой твердости по сравнению с закалкой в масле или воде [Х.2]. До сих пор закалка в горячих средах сдерживалась недостаточной закаливающей спо­ собностью расплавов солей, щелочей и отсутствием эф­

200