2084

2.7.6. Эрозионное изнашивание

Эрозионным изнашиванием деталей автомобиля называют процесс разрушения поверхности детали, изменения ее размеров при динамическом воздействии на материал детали рабочего тела или электрических разрядов. Рабочим телом может быть газ или жидкость. Соответственно различают гидроэрозионное, газоэрозионное, кавитационное и электроэрозионное изнашивание.

При гидрогазовой эрозии материал разрушается под действием механических и тепловых воздействий молекул жидкости или газа, при кавитационной – за счет воздействия парогазовых пузырьков и капелек жидкости, при электрической – под действием электрических сил.

При микроударном механизме эрозии энергия локальных импульсных ударов вызывает пластическую деформацию, структурные или фазовые превращения в микрообъемах, соизмеримых с размерами зерна металла и отдельными структурными составляющими. Поэтому возрастает роль границ зерен и отдельных структурных составляющих сплавов в процессе зарождения и развития микротрещин на стадии разрушения.

Гидрогазоэрозионное изнашивание происходит в результате воздей-

ствия потока жидкости и (или) газа. Такому изнашиванию на автомобиле подвержены в первую очередь рабочие поверхности тарелок выпускных клапанов двигателя, жиклеры карбюратора. Поверхность при газовой эрозии разрушается в результате контакта с динамическим потоком главным образом раскаленных газов.

Термический механизм газовой эрозии проявляется при воздействии на материал раскаленного газового потока, что приводит к ослаблению связей между частицами металла и выносу частиц газовой струей.

Электроэрозионное изнашивание проявляется в эрозионном изнаши-

вании поверхности в результате воздействия разряда при прохождении электрического тока, например между электродами свечи зажигания, контактами прерывателя-распределителя.

Электроэрозионному разрушению под действием дугового или искрового разряда в результате испарения или выброса металла в виде капель (контакты прерывателя-распределителя) подверженытокопроводныематериалы.

Кавитация – это явление образования в движущемся по поверхности твердого тела потоке жидкости пустот в виде пузырьков, наполненных парами, воздухом, газами, растворенными в жидкости и выделившимися из нее.

В движущемся с большой скоростью потоке при его сужении и наличии препятствий на его пути давление может упасть до давления парообразования при данной температуре. В зависимости от сопротивления жидкости, может произойти разрыв, нарушение целостности потока. Образующаяся пустота заполняется паром и газами, выделившимися из жидкости. Воздух, вовлекаемый в поток, облегчает возникновение кави-

61

тации. Образовавшиеся парогазовые пузыри размерами порядка десятых долей миллиметра, перемещаясь вместе с потоком, попадают в зоны высоких давлений. Пар конденсируется, газы растворяются, и в образовавшиеся пустоты с громадным ускорением устремляются частицы жидкости; происходит сопровождаемое ударом восстановление целостности потока.

Таким образом, кавитационное изнашивание – это изнашивание движущегося относительно жидкости тела, происходящее под ударным воздействием захлопывающихся пузырьков воздуха вблизи поверхности, находящихся в жидкости.

Сущность процесса состоит в следующем: в потоке жидкости образуются пузырьки воздуха (в течение 1 секунды на площади 1 см2 возможно образование и захлопывание более 30000000 пузырьков), далее эти пузырьки перемещаются в зону повышенного давления, под воздействием которого происходят захлопывание пузырьков (со скоростью 100...400 м/с) и нанесение микрогидроударов при высоком давлении и температуре (до 1000…1500 ˚С) частичками жидкости по поверхности детали.

Исследования показали, что кавитационный пузырек может вырасти за 0,002 с до 6 мм в диаметре и полностью разрушиться за 0,001 с.

Кавитация наблюдается в трубопроводах, в гидромониторах и в потоках, обтекающих лопатки центробежных и пропеллерных насосов и лопастей гидравлических турбин и гребных винтов. Явление кавитации вызывает вибрации, стуки и сотрясения, что приводит к расшатыванию крепежных связей, обрыву болтов, смятию резьб, фрикционной коррозии стыков, нарушению уплотнений и усталостным поломкам.

Разновидностью кавитации является вибрационная кавитация, которая возникает при колебании твердого тела относительно жидкости или жидкости относительно твердого тела. Давление в жидкости на границе раздела жидкости и твердого тела может упасть и вызвать образование кавитационных пузырьков. Вибрационная кавитация проявляется в двигателях внутреннего сгорания, особенно на наружных поверхностях

гильз в результате их колебаний от ударов поршня (рис. 2.19). Износ от кавитации наружной стенки гильзы может быть в 3...4 раза больше, чем износ внутренней поверхности от действия поршневых колес.

Интенсивность кавитационного изнашивания зависит от температуры, свойств жидкости и материала деталей. Воде с температурой 50 °С соответствует наибольшая интенсивность. Вязкость жидкости на кавита-

62

цию влияет незначительно. С увеличением поверхностного натяжения изнашивание происходит более интенсивно. Введение в воду веществ, образующих и способствующих образованию эмульсий (масла и эмульгаторы), понижаетповерхностноенатяжениеиснижаеткавитационноеизнашивание.

При температуре 55...60 °С гильза толщиной 7 мм пробивается за 800 часов работы. Большую опасность представляет кавитационное разрушение опорных поясков гильз и блока цилиндров, что приводит к проникновению охлаждающейжидкостивполостьцилиндраивкартердвигателя.

Для уменьшения кавитационного изнашивания необходимо тщательно восстанавливать демпфирующие элементы механизмов, чтобы сдерживать вибрацию и распространение упругих волн в деталях.

2.8. Классификация отказов

Классификация отказов необходима для выявления их причин и разработки мер по предупреждению и устранению. Существует несколько квалификационных признаков.

По влиянию на работоспособность изделия (полные и частичные)

различают отказы его элементов и отказы, вызывающие неисправность или отказ изделия в целом. Например, перегорание лампы плафона вызывает отказ лампы, но не автомобиля, а отказ тормозной системы или рулевого управления является одновременно и отказом автомобиля, так как при этом нельзя продолжать движение.

По источнику возникновения различают отказы: конструкционные, возникающие вследствие несовершенства конструкции; производственные, являющиеся следствием нарушения или несовершенства технологического процесса изготовления или ремонта изделия; эксплуатационные, вызванные нарушением действующих правил (например, перегрузкой автомобиля, применением нерекомендуемых топлив или смазочных материалов, несвоевременным проведением технического обслуживания и т.п.).

На последнюю группу отказов (около 40…50 %) эксплуатация может влиять непосредственно. При этом более 50 % отказов в эксплуатации зависят от качества ТО и ремонта, более 1/3 – от качества ТСМ и около 10 % от квалификации водителя.

По связи с отказами других элементов различают зависимые и незави-

симые отказы. Зависимым называется отказ, обусловленный отказом или неисправностью других элементов изделия. Независимый отказ такой обусловленности не имеет. Примером зависимого отказа могут служить задиры зеркала цилиндра двигателя из-за разрушения поршневого кольца или отказ аккумуляторной батареи из-за неисправности реле-регулятора. Пример независимого отказа – прокол шины на дороге.

63

По характеру (закономерности) возникновения и возможности про-

гнозирования различают постепенные и внезапные отказы.

Постепенные отказы возникают в результате плавного изменения показателей технического состояния изделия, чаще всего вследствие изнашивания. Для постепенных отказов характерен последовательный переход изделия из начального исправного состояния в состояние отказа через ряд промежуточных состояний.

Особенности постепенных отказов: во-первых, они в принципе могут быть предотвращены в результате своевременного выполнения ТО; вовторых, изменение технического состояния происходит монотонно, что создает предпосылки для его прогнозирования. На постепенные отказы приходится 40...70 % всех отказов.

Для внезапных отказов характерным является скачкообразное изменение показателя технического состояния. Примером внезапного отказа является повреждение или разрушение вследствие превышения допустимого уровня нагрузки, которое может произойти в любой момент работы изделия. При старении автомобиля удельный вес внезапных отказов возрастает.

На автомобилях также встречается особый, так называемый перемежающийся отказ, отличающийся тем, что многократно возникает и самоустраняется. Такой отказ, например, может возникнуть при ослаблении крепления электрического контакта.

По частоте возникновения (наработке) для современных автомобилей различают отказы: с малой наработкой (3...4 тыс. км), средней (до 12...16 тыс. км) и большой (свыше 12...16 тыс. км). Следует иметь в виду, что наработки между отказами существенно сокращаются при увеличении пробега автомобиля с начала эксплуатации (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Влияние наработки с начала эксплуатации на показатели надежности автобуса

64

По трудоемкости устранения (группе сложности) отказы можно разделить на отказы, для устранения которых требуется малая (до 2 чел.-ч) трудоемкость работ (как правило, устранение заменой деталей, расположенных снаружи), средняя трудоемкость (2…4 чел.-ч), в основном это ремонт и замена легкодоступных деталей, и большая (свыше 4 чел.-ч) трудоемкость, такие отказы предполагают ремонт с разборкой, расчленением основных агрегатов машины.

Средняя трудоемкость устранения одного отказа современного автомобиля в зависимости от грузоподъемности (вместимости) и конструктивных особенностей составляет 1,5...2,0 чел.-ч. Например, у автомобилей МАЗ 87 % отказов имеет малую и среднюю трудоемкость. На остальные 13 % отказов приходится более 78 % общей трудоемкости ремонта и 82 % всей продолжительности простоев в ремонте.

По влиянию на потери рабочего времени автомобиля отказы подразде-

ляют на устраняемые без потери рабочего времени, т.е. при ТО или в нерабочее (межсменное) время, и отказы, устраняемые с потерей рабочего времени.

Процент отказов агрегатов и систем автомобиля большой грузоподъемности, устраняемых с потерей рабочего времени, для рамы составляет 100 %, для двигателя – 78 %, для коробки передач – 75 %, для сцепления – 65 %, для кузова – 61 %, для заднего моста – 29 %, для переднего моста – 25 %, для электрооборудования – 23 %, для подвески – 21 %, для системы пита-

ния – 17 %.

Особое значение имеют отказы на линии, вызывающие нарушение транспортного процесса. Например, наработка на линейный (дорожный) отказ автобуса среднего класса на первом году эксплуатации составляет в среднем 24 тыс. км, а на пятом-седьмом годах – до 5 тыс. км (см. рис. 2.20).

65

В этом примере рассмотрен расчет вероятности простого события. Как правило, требуется определить вероятность появления более сложного события, например вероятность двух и более отказов в нескольких испытаниях. При расчете следует учитывать вид события.

Вероятность появления одного из несовместных событий (А и В)

Например, событие А – отказ станка, событие В – выполнение производственного задания на этом станке. Вероятности этих событий равны:

Р(А) =0,1, Р(В) =0,7, тогда Р(А или В) = 0,1 + 0,7 = 0,8.

Вероятность одновременного появления независимых, несовместных событий

Например, событие А – отказ двигателя, событие В – отказ колес. Вероятности этих событий равны: Р(А) = 0,2, Р(В) = 0,3, тогда

Р(А и В) = 0,2 · 0,3 = 0,06.

Например, событие А – отказ сцепления, событие В – отказ рулевого механизма. Вероятности этих событий равны: Р(А) = 0,4, Р(В) = 0,5, тогда

Р(А или В) = 0,4 + 0,5 – 0,4 · 0,5 = 0,7.

где РВ(А) – вероятность появления события А при условии, что событие В произошло.

Например, событие А – дорожно-транспортное происшествие, событие, В – отказ тормозов. Вероятности этих событий равны: РВ(А) = 0,25,

Р(В) = 0,2, тогда

Р(А и В) = 0,25 ·0,2 = 0,05.

Вероятность одновременного возникновения полной группы досто-

верных событий (А, B, C, D), из которых при каждом испытании

Если в группе достоверных событий только два, то они называются

противоположными Р(А) + Р(В) =1.

Например, событие А – отказ автомобиля, событие В – нахождение этого автомобиля в работоспособном состоянии.

67

3.2.Распределение случайных величин

Врасчетах надежности многие параметры рассматриваются как случайные величины. Например, рассеяние ресурсов по критерию усталости, оцениваемое отношением наибольшего ресурса к наименьшему, для подшипников достигает 40, для зубчатых передач – 10...15. Это вызвано тем, что факторы, влияющие на рассчитываемые параметры, носят случайный характер.

Случайная величина (СВ) – это величина, которая в результате опыта может принять то или иное значение, не известное заранее.

Существуют две разновидности случайных величин: дискретные СВ, которые заранее можно перечислить, например число отказов генератора автомобиля, число ремонтов камер колеса; непрерывные СВ, которые в определенном интервале могут принимать любое значение, не известное заранее, к таким СВ относятся наработка, скорость изнашивания детали, износ.

Распределение случайных величин описывается законами распределения.

Таблица 3 . 1 Табличное представление закона распределения дискретной случайной

величины

Для непрерывных СВ в качестве закона распределения используют вероятность события, заключающегося в том, что СВ Т примет значение, меньшее заданного наперед Тi (Т<Тi), т.е. P(Т<Тi). Данную вероятность называют функцией распределения СВ F(T) или интегральной функцией

68

(рис. 3.2). Функция F(T) в пределах изменения случайной величины изменяется от 0 до 1.

Производная от функции распределения F(T) по переменной T является дифференциальной функцией f(T) (рис. 3.3):

В теории надежности величину f(T) называют плотностью распределения случайной величины. Она характеризует относительную вероятность данного значения случайной величины и характеризуется следующими выражениями:

f (T )dT 1 и f(T =Ti) = 0.

3.3. Точечные характеристики распределения случайных величин

Наиболее существенные особенности распределений выражают числовые характеристики случайной величины.

Основной характеристикой случайной величины T является математическое ожидание М(T) – это центр распределения, величина, к которой тяготеют значения СВ, показатели рассеивания СВ, дисперсия D(T) и среднеквадратическое отклонение σ(T).

Расчет перечисленных характеристик дискретных и непрерывных величин имеет свои особенности.

Значения характеристик, полученные по результатам испытаний или эксплуатации, называют статистическими оценками.

69

Таблица 3 . 1 Расчетные формулы характеристик распределения случайной величины

П р и м е ч а н и е . i – индекс дискретной случайной величины (m), N – количество значений дискретной случайной величины.

Для сравнения различных распределений СВ используется относительный показатель рассеивания – коэффициент вариации (изменчивости) (V):

где Tcм – величина смещения (сдвига) распределения СВ относительно нуля,

здесь Tmin – минимальное значение СВ в вариационном ряду; А – величина интервала;

T1, T2, T3 – первое, второе, третье значения СВ в вариационном ряду. Таблица 3 . 2

Формулы для расчета статистических аналогов характеристик распределения случайной величины

70