Пособие надежность. Ч1

водительности, скорости и т. п. С течением времени значения этих параметров могут изменяться.

Надежность – комплексное свойство, состоящее в общем случае из безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Например, для неремонтируемых объектов основным свойством может являться безотказность. Для ремонтируемых объектов одним из важнейших свойств, составляющих понятие надежности, может быть ремонтопригодность.

Для объектов, которые являются потенциальным источником опасности, важными понятиями являются «безопасность» и «живучесть». Безопасность – свойство объекта при изготовлении и эксплуатации и в случае нарушения работоспособного состояния не создавать угрозу для жизни и здоровья людей, а также для окружающей среды. Хотя безопасность не входит в общее понятие надежности, однако при определенных условиях тесно связана с ним, например, если отказы могут привести к условиям, вредным для людей и окружающей среды сверх предельно допустимых норм.

Понятие «живучесть» занимает пограничное место между понятиями «надежность» и «безопасность». Под «живучестью» понимают свойство объекта, состоящее в его способности противостоять развитию критических отказов из-за дефектов и повреждений при установленной системе технического обслуживания и ремонта, или свойство объекта сохранять ограниченную работоспособность при воздействиях, не предусмотренных условиями эксплуатации, или свойство объекта сохранять ограниченную работоспособность при наличии дефектов или повреждений определенного вида, а также при отказе некоторых компонентов. Примером служит сохранение несущей способности элементами конструкции при возникновении в них усталостных трещин, размеры которых не превышают заданных значений.

Термин «живучесть» соответствует международному термину «fail-safe concept». Для характеристики отказоустойчивости по отношению к человеческим ошибкам в последнее время начали употреблять термин «fool-proof concept». В международных документах ИСО, МЭК и ЕОКК сочетание свойств

10

безотказности и ремонтопригодности с учетом системы технического обслуживания и ремонта называют готовностью объекта(availability).

По ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения» введены следующие основные понятия, термины и определения, касающиеся надежности, безотказности, ремонтопригодности, сохраняемости:

Надежность – свойство объекта сохранить во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или 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 поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Исправное состояние (исправность) – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Неисправное состояние (неисправность) – состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативнотехнической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Работоспособное с о с т о я н и е (работоспособность) – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность

11

выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-тех- нической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Неработоспособное состояние (неработоспособность) – состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Критерий предельного состояния – признак или совокупность признаков предельного состояния объекта, установленные нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документацией.

Дефект – каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям (ГОСТ 15467-79).

Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Критерий отказа – признак или совокупность признаков нарушения работоспособного состояния объекта, установленные в нормативнотехнической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Причина отказа – явления, процессы, события и состояния, вызвавшие возникновение отказа объекта.

Ресурсный отказ – отказ, в результате которого объект достигает предельного состояния.

Независимый отказ – отказ, не обусловленный другими отказами. Зависимый отказ – отказ, обусловленный другими отказами. Внезапный отказ – отказ, характеризующийся скачкообразным измене-

нием значений одного или нескольких параметров объекта.

12

Постепенный отказ – отказ, возникающий в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров объекта.

Конструктивный отказ – отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и (или) норм проектирования и конструирования.

Производственный отказ – отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта, выполняемого на ремонтном предприятии.

Эксплуатационный отказ – отказ, возникший по причине, связанной с нарушением установленных правил и (или) условий эксплуатации.

Деградационный отказ – отказ, обусловленный естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления в эксплуатации.

Наработка – продолжительность или объем работы объекта.

Наработка до отказа – наработка объекта от начала эксплуатации до возникновенияпервого отказа.

Ресурс – суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Срок сохраняемости – календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования объекта, в течение которой сохраняются в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объектавыполнятьзаданные функции.

Остаточный ресурс – суммарная наработка объекта от момента контроля его технического состояния до перехода в предельное состояние.

13

Назначенный ресурс – суммарная наработка, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его технического состояния.

Назначенный срок службы – календарная продолжительность эксплуатации, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его технического состояния.

Назначенный срок хранения – календарная продолжительность хранения, при достижении которой хранение объекта должно быть прекращено независимо отего технического состояния.

2. Функциональный анализ причин потери работоспособности деталей машин

Любая машина состоит из отдельных сборочных единиц, каждая из которых имеет определенное назначение, т. е. выполняет вполне определенные функции. В процессе эксплуатации машины надежность, заложенная в ней при конструировании и изготовлении, снижается вследствие возникновения различных неисправностей. Об исправной работе машины обычно судят по ее рабочим характеристикам: мощности, тяговому усилию, производительности, кпд, уровню шума, вибрации и т. п. Всякое отклонение рабочих характеристик от нормальных свидетельствует о наличии той или иной неисправности в машине.

Всякая сборочная единица состоит из отдельных сопряжений. Неисправности сопряжений проявляются в нарушении посадок, другими словами, в нарушении заданных зазоров в подвижных сопряжениях и натягов в неподвижных. Так, падение производительности масляного насоса может быть следствием увеличения зазоров между торцевыми поверхностями шестерен, крышек и корпуса. В свою очередь, всякое нарушение посадок обусловлено изменениями в размерах и форме сопрягаемых поверхностей деталей. Отсюда можно сделать вывод, что любая рассматриваемая неисправность в машине является следствием изменений, происшедших в технических характеристиках деталей. Эти не-

14

исправности могут проявляться в изменениях конструктивных размеров деталей, формы, взаимного расположения и качества их поверхностей, физикомеханических свойств материала. Наиболее часто неисправности возникают вследствие изменения размеров и формы (некруглости, нецилиндричности) и взаимного расположения посадочных поверхностей деталей. Так как влияние этих изменений на работу всей машины легче проследить и изучить на простейшем конструктивном звене машины, каковым является сопряжение пары деталей, то в основу изучения неисправностей машин положено изучение изменений в отдельных типовых сопряжениях.

Надежность машины в целом не может быть выше самого малонадежного ее звена, сопряжения и их конструктивного элемента.

3. Причины потери работоспособности деталей машин

Основными причинами потери работоспособности машин являются износ и усталостные разрушения деталей. Установлено, что до 80 % случаев потери работоспособности машин происходит вследствие износа.

Принято классифицировать износы на механический, молекулярномеханический и коррозионно-механический.

Механический износ представляет собой процесс разрушения поверхностных слоев в результате упругих и пластических деформаций без существенных физико-химических изменений свойств материалов. К механическому износу относятся: абразивный износ, пластическое деформирование и износ при кавитации.

Абразивный износ представляет собой пластическую деформацию верхних слоев при трении скольжения в результате воздействия на сопряженные поверхности твердых абразивных частиц. Взаимодействие поверхности детали с твердыми частицами разнообразно. При абразивном износе происходит пластическое деформирование материала независимо от того, образуется при этом стружка (уносимая, например, потоком смазки) или возникают риски, бороздки

15

и т. д. Абразивные частицы – это частицы нагара, продукты изнашивания и включения твердых частиц в смазочные жидкости.

Абразивная эрозия представляет собой изнашивание поверхности под воздействием движущихся в потоке газа или жидкости абразивных частиц, например, эрозия кромок лопаток газовых турбин под воздействием частиц золы, движущихся вместе с газовоздушным потоком.

При пластическом деформировании под воздействием внешних нагрузок и высоких температур более мягкий материал перемещается в направлении движения, а затем отрывается (изнашивание мягких антифрикционных материалов подшипников скольжения, наволакивание материала зубьев зубчатых передач при работе с перегрузкой и т. д.).

При трении скольжения износ выражается в том, что мельчайшие поверхностные частицы постепенно отделяются от тела детали, причем деталь теряет свои первоначальные размеры и форму.

В ином виде происходит износ при трении качения. В этом случае в начале наблюдается поверхностное уплотнение металла (нагартовка, наклеп). Причем изменяются лишь размеры детали без потери материала, т. е. происходит только объемный износ. Затем наклепанный слой начинает отслаиваться в виде пленок и, следовательно, износ происходит не только по объему, но и по массе.

Износ при кавитации представляет собой хрупкое разрушение поверхностей деталей в результате местных гидравлических ударов. Этот вид износа характерен для деталей, работающих в условиях турбулентного движения жидкостей, когда под действием многократно повторяющихся гидравлических ударов поверхности деталей покрываются маленькими раковинами и углублениями.

Молекулярно-механический износ деталей машин – это разрушение местных металлических связей в том случае, когда сопряженные трущиеся поверхности сближены на расстояние, не превышающее размеров атомных решеток, т. е. когда возможно молекулярное взаимодействие поверхностей. При этом на поверхностях отсутствуют окисные пленки, смазка и пр.

16

Коррозионно-механический износ представляет собой разрушение поверхностей детали при одновременном механическом и коррозийном воздействии на нее. Окислительный процесс наблюдается в том случае, когда в результате непосредственного контакта сопряженных поверхностей происходит пластическое деформирование и срезание выступов с обнажением не защищенного окисной пленкой металла и его окисление. Наличие в газовой или жидкой среде, омывающей деталь, агрессивных веществ значительно ускоряет процесс разрушения.

Фретинг-коррозия возникает в результате относительно небольшого перемещения, например, при вибрации находящихся в контакте двух деталей, одна из которых (или обе) металлическая. Эта коррозия приводит к образованию на металлической сопряженной поверхности питтингов (мелких точечных разрушений). Частицы окислов металлов заполняют образовавшиеся питтинги, поэтому только после удаления продуктов коррозии они становятся видимыми.

К другим причинам потери работоспособности деталей машин относятся коррозионное разрушение, усталостное разрушение, термоусталостное разрушение, ползучесть металлов.

Коррозионным разрушением металла называется самопроизвольное его разрушение вследствие физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Различают химическую и электрохимическую коррозию. При химической коррозии окисление металла и восстановление окислительного компонента происходит в одном акте. Электрохимический коррозионный процесс предполагает присутствие электролитической токопроводящей среды.

Усталостным разрушением металла называется процесс постепенного накопления повреждений под действием повторно-переменных напряжений, приводящих к структурным изменениям металла, образованию микротрещин, трещин и разрушению его.

Термоусталостным разрушением металла называется разрушение в результате часто повторяющихся температурных градиентов и затрудненности температурного расширения деталей.

17

Ползучестью металла называется процесс изменения во времени деформаций и напряжений, происходящий в детали вследствие релаксации внутренних остаточных напряжений под действием внешних условий.

Все встречающиеся в работающих сборочных единицах и сопряжениях износы и разрушения могут быть подразделены на две основные группы:

1) износы и разрушения, обычно медленно нарастающие и являющиеся следствием длительной работы сил трения, воздействия высоких температур и других факторов при нормальных условиях эксплуатации, т. е. когда соблюдаются все требуемые для данного механизма правила эксплуатации. Так как эти износы относятся к явлениям нормальным, определяемым самой конструкцией машины, их можно называть естественными износами;

2) износы и разрушения, нарастающие быстро и наблюдаемые иногда даже после непродолжительной работы механизма. Они являются, главным образом, результатом нарушения правил эксплуатации данного механизма и, в сравнительно редких случаях, результатом конструкторских промахов или дефектов производства. Типичное для данной группы износов и разрушений интенсивное нарастание носит характер аварии, а поэтому они называются аварийными.

Такое деление износов и разрушений целесообразно потому, что оно помогает решению основной задачи профилактики неисправностей – поддерживать эксплуатируемые механизмы и сопряжения в работоспособном состоянии, чтобы они подвергались только естественному (нормальному) износу. Аварийные износы и разрушения не должны иметь место.

Однако постепенное количественное нарастание износа с увеличением наработки машины лишь до известного предела не влечет за собой заметных отклонений от заданных рабочих характеристик механизмов и, очевидно, лишь до этого предела износ может считаться естественным (нормальным). За указанным пределом наступает аварийный износ сопряжений и деталей данного механизма.

18

На рис. 1.1 изображена кривая нарастания износа подвижной сопрягаемой поверхности, где по оси абсцисс отложена наработка машины в моточасах, а по оси ординат – величина износа в микрометрах (мкм). Показанная кривая справедлива для большинства удовлетворительно сконструированных подвижных сопряжений, работающих в установившемся режиме. Кривая имеет три явно выраженных участка: начальный I, характеризующий процесс приработки нового сопряжения; конечный III, соответствующий периоду разрушения сопряжения вследствие износа его сверхдопустимого предела (аварийный износ), и промежуточный участок II, наибольший по протяженности, отвечающий периоду нормальной работы сопряжения (естественный износ). При оценке полного ресурса сопряжения участки I и III должны исключаться, так как началом нормальной работы сопряжения следует считать момент окончания приработки N, а концом – достижение предельно допустимого износа М.

19