Пособие надежность. Ч1

уменьшения вредного влияния знакопеременных динамических нагрузок в конструкциях составных сборочных единиц машин необходимо предусматривать демпфирующие устройства, применять привода с плавными пусковыми характеристиками. В этом же направлении следует анализировать возможность создания конструкций сборочных единиц переменной жесткости. При конструировании деталей, работающих в условиях знакопеременного нагружения, следует прежде всего стремиться к возможно большему ослаблению концентрации местных напряжений. Это осуществляется, например, заменой сильных концентраторов более слабыми, перемещением концентраторов напряжений из напряженных участков в зоны наименьших напряжений.

Интенсификация рабочих процессов в оборудовании приводит к повышению динамических нагрузок, что вызывает поломки деталей. В результате этого снижается производительность оборудования и увеличиваются затраты на его ремонт. Повышение в этом случае долговечности деталей путем увеличения их статической прочности, т. е. увеличения размеров и массы деталей, без расчета их на усталостную прочность, не имеет смысла, поскольку увеличение габаритных размеров и массы деталей приводит к еще большему росту динамических нагрузок и повышению вероятности поломок.

Надежность машин в значительной степени зависит от состояния поверхностей и физико-механических свойств поверхностных слоев деталей, где зарождаются и развиваются процессы износа, а также усталостного разрушения.

Проблема создания оптимальных работоспособных пар предусматривает оптимизацию параметров точности, шероховатости и физико - механического состояния (микротвердости, характера, уровня и глубины залегания внутренних напряжений) рабочих поверхностей и поверхностных слоев деталей. Особенно это касается точности формы и взаимного расположения основных поверхностей, их топографии, количественных показателей шероховатости и типа направлений микронеровностей. Путем создания опти-

30

мальных работоспособных пар можно значительно минимизировать период начального износа (период приработки) и увеличить тем самым межремонтный ресурс. Создание оптимальных работоспособных пар способствует также повышению объемной и контактной прочности и жесткости сопряжений деталей.

В настоящее время разработано много методов, позволяющих изменять строение и свойства поверхностных слоев деталей в нужном направлении или создавать слои с заданными свойствами, в частности, упрочнение новых и восстановление изношенных деталей машин наплавкой или напылением материалов с необходимыми свойствами и это должно быть предусмотрено рабочими чертежами деталей. Защита деталей износостойкими материалами позволяет значительно сократить расход металла и уменьшить трудоемкость ремонта оборудования. Использование антифрикционных износостойких материалов и сплавов повышает срок службы деталей в 1,5...3 и более раза. В направлении уменьшения трения и износа при проектировании сборочных единиц машин следует отдавать предпочтение (там, где это возможно) подшипникам качения, гидродинамическим или гидростатическим подшипникам жидкостного трения (ПЖТ).

Определенную роль в вопросе повышения надежности машин играют стандарты, определяющие показатели качества и надежности машин, требования к контролю материалов, комплектующих изделий и готовых машин, требования к условиям эксплуатации.

Таким образом, еще на стадии разработки конструкции должны быть заложены основы для создания надежных машин, сохраняющих работоспособность в различных условиях эксплуатации, а надежность, предусмотренная при проектировании машины, должна быть обеспечена в процессе ее изготовления и эксплуатации.

Повышение надежности машины при изготовлении. Организация про-

изводства машин, применяемые технологические процессы и методы контроля оказывают решающее значение на показатели их надежности и долговеч31

ности. Все компоненты технологического процесса: методы обработки, применяемое оборудование и технологическая оснастка, последовательность операций, методы контроля, режимы обработки и другие факторы предопределяют показатели надежности машины при ее эксплуатации. Известно, что аналогичные детали, изготовленные различными технологическими методами, имеют разный предел усталости, даже если для них был применен один и тот же материал с одинаковыми прочностными характеристиками.

Показатели качества деталей машин, сформированные в процессе производства, определяют такие их эксплуатационные свойства, как, например, износостойкость, усталостная прочность, коррозионная стойкость, теплостойкость и другие, которые, в свою очередь, предопределяют надежность и долговечность машины в целом.

Влияние технологического процесса на показатели надежности машины – это сложный и многоэтапный процесс. В ряде случаев надежность машин снижается из-за нестабильности и несовершенства технологии их изготовления. Параметры технологических процессов в конечном итоге оказывают влияние на износостойкость поверхностей, усталостную прочность и коррозионную стойкость деталей и машин в целом.

Износостойкость зависит от состава, структуры и механических характеристик материалов, на которые влияют методы технологической обработки. Кроме того, износостойкость определяется геометрическими и физикохимическими параметрами поверхностного слоя, которые окончательно формируются по ходу выполнения и на финишных операциях технологического процесса. Повышение стабильности технологического процесса и достоверности производственного методов контроля, исключающих изготовление деталей с параметрами, не соответствующими заданным, обеспечивают выпуск надежных машин.

На усталостную прочность деталей влияют механические свойства материала, состояние рабочих поверхностей и поверхностных слоев, наличие несплошностей, микровыровов и других дефектов. Например, при механиче32

ской обработке в поверхностном слое детали могут возникать растягивающие остаточные напряжения, которые снижают предел выносливости. При применении технологических методов, создающих в поверхностном слое сжимающие напряжения, прочностные характеристики деталей улучшаются. Это влияние следует обязательно учитывать в случае изготовления деталей, работающих при знакопеременных нагрузках и высоких температурах.

Для защиты деталей машин от коррозии широко применяют различные виды покрытий – электролитические, химические, полимерные. Коррозионная стойкость деталей, находящихся под воздействием агрессивных сред, зависит не только от вида покрытий, но и от режима и условий их нанесения, а также от возможности регулировать и контролировать протекание этого процесса.

Интенсивные коррозионные разрушения характерны для конструкций, работающих в жидких средах, вызывающих электрохимическую коррозию. Особенно опасный вид разрушения, называемое «коррозионное растрескивание», возникает при одновременном действии коррозионной среды и статических или повторно-кратковременных нагрузок. При этом свойства металла, определяющие его восприимчивость к коррозионному воздействию среды, непосредственно связаны с параметрами технологического процесса нанесения покрытий.

Одним из основных факторов по обеспечению надежности деталей и сборочных единиц машин является достоверность методов производственного контроля параметров точности и качества изготовления. Контроль должен охватывать все стадии производства и испытаний машин и давать объективнуюинформациюофактическомсостоянииконтролируемогопараметра.

Повышение надежности машин при эксплуатации. Надежность машин в процессе эксплуатации существенно зависит от условий и режимов работы. При использовании машин причиной отказов могут быть ошибки операторов и нарушения инструкций по эксплуатации. Эти и другие причины нару33

шений условий и режимов работы машин, имеющие место при эксплуатации, приводят к возникновению отказов раньше срока, установленного ресурсом машины. Поэтому соблюдение требований инструкции по эксплуатации – одно из основных условий обеспечения заданной надежности работы машины.

Ни одна машина не может обойтись без технического обслуживания и ремонта, которые являются неотъемлемыми этапами процесса эксплуатации машины и должны обеспечивать в течение всего периода эксплуатации требуемый уровень безотказности при наименьших затратах времени и средств.

Выяснение основных причин потери деталями способности выполнять заданные функции, оценка характера износа и поломок, выявление факторов, вызывающих повреждение деталей – все это является предпосылкой к расчету их на износ, прочность и долговечность и служит основанием для разработки мероприятий, направленных на повышение надежности машин.

Период эксплуатации до отказа (наработка на отказ) даже у однотипных деталей и сборочных единиц машин неодинаков в силу нестабильности параметров точности и качества сопрягаемых и рабочих поверхностей и воздействия различных случайных факторов (попадания абразива, воды и т. д.). Процесс износа носит как бы веерный характер (заштрихованная область на рис. 1.5) из-за рассеивания интенсивности изнашивания ∆И по мере увеличения наработки t. Если С-С – граница допустимого ∆Идп износа, то наработка для одних и тех же деталей в различных условиях эксплуатации различна (t2 t1). Такое рассеивание следует учитывать при установлении допусков на техническое обслуживание и ремонт машины.

На величину наработки, а, следовательно, и на периодичность ремонтов оказывает влияние и начальный размер детали, полученный при ее изготовлении. Если, например, деталь будет изнашиваться не с середины поля допуска номинального размера, как показано на рис. 1.5 (точка 0), а с верхней (точка «+1») или нижней (точка «-1») границы поля допуска, то

34

монтный период П1. Деталь номера 4 имеет наибольшую наработку и может быть заменена после второго ремонта. Деталь под номером 5 обеспечивает надежную работу до профилактического ремонта П2, но с учетом величины рассеивания ее износ может достичь допустимого значения раньше момента наступления ремонта П2. Деталь под номером 6 должна быть заменена при ремонте П1, так как она выйдет из строя раньше наступления ремонта П2.

t

Рис. 1. 6. График оценки ресурсов деталей сборочной единицы

Полученный анализ показывает, что для обеспечения безотказной работы машины до первого профилактического ремонта необходимо повысить надежность детали под номером 2 или приблизить сроки первого ремонта до величины наработки этой детали. Во втором случае, естественно, уменьшится межремонтный период и увеличится стоимость эксплуатации машины. Оптимальный вариант решения может быть найден при сопоставлении затрат на повышение надежности требуемой детали и проведение дополнительного профилактического ремонта.

Для оценки качества обслуживания машины можно использовать коэффициент эффективности технического обслуживания, который показывает сте-

36

пень повышения безотказности деталей и сборочных единиц, а, следовательно, степень увеличения межремонтного периода. Периодичность технического обслуживания зависит от условий эксплуатации машин и определяется принятой стратегией технического обслуживания. Наиболее прогрессивная стратегия эксплуатации и технического обслуживания машин основана на контроле и диагностики технического состояния деталей и сборочных единиц. В соответствие с этой стратегией конкретные детали и сборочные единицы машины следует проверять с необходимой периодичностью и тщательностью в целях постоянного получения информации об их реальном техническом состоянии. При этом их можно эксплуатировать до появления признаков опасного снижения надежности независимо от установленного срока службы. Развитие этой стратегии – обслуживание по результатам контроля технического состояния. Предполагается, что при высокой надежности отдельных элементов машины нет необходимости выполнять какие-либо превентивные профилактические работы, так же как и нецелесообразно проводить какие-либо демонтажные работы по истечению определенного срока службы. Основополагающие мероприятия данной стратегии – сбор и анализ информации о надежности деталей и сборочных единиц машины. Меры по повышению надежности (доработка конструкции, введение новых операций профилактических работ и др.) принимаются только в тех случаях, когда частота отказов превышает заданный уровень.

Выбор стратегии технического обслуживания и ремонта существенным образом сказывается на продолжительности межремонтного периода и срока службы машины. Восстановление работоспособности деталей и сборочных единиц по более дешевой, чем при изготовлении машины, технологии и с применением менее совершенных технологических средств, обычно не обеспечивает повышение технического уровня машины по показателям надежности до исходной величины. Более того, накапливающиеся внутренние структурные изменения материалов деталей снижают безотказность работы машины в отдельных случаях на 5…40 %. Поэтому ремонтные службы и предприятия

37

должны иметь современную технологическую оснащенность оборудованием и технической оснасткой для реализации прогрессивных методов восстановления работоспособности деталей и сборочных единиц с обеспечением необходимого уровня их надежности.

38

ГЛАВА II. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА

ДЕТАЛЕЙ МАШИН 1. Характеристика параметров точности размеров, формы и

взаимного расположения поверхностей

Под точностью в технологии машиностроения следует понимать степень соответствия параметров изготовленной детали или сборочной единицы данным чертежей или их прототипам. Технические требования по нормам точности и качества изготовления деталей и сборочных единиц является прямым следствием их служебного назначения, под которым понимается максимально уточненная и четко сформулированная задача, для решения которой они предназначены. В конечном итоге точность изготовления деталей и их соединений в сборочной единице предопределяет степень их соответствия надежно функционирующему прототипу машины в заданных условиях эксплуатации. Точность является важнейшим показателем качества продукции в машиностроении. Чаще всего приходится иметь дело с точностью геометрических параметров.

На всех этапах технологического процесса (ТП) изготовления машин неизбежны те или иные погрешности, в результате чего достижение абсолютной точности практически невозможно. Поэтому сознательно идут на регламентируемые допустимые отклонения размеров и других показателей геометрической точности, т. е. работают в пределах допусков. Допуск представляет собой разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами. По абсолютной величине он равен алгебраической разности между верхним и нижним отклонениями. Различают функциональные, конструк-

торскиеитехнологическиедопуски.

Функциональные допуски устанавливают, исходя из допустимых отклонений эксплуатационных показателей машины или детали. Так, для несопрягаемых поверхностей это могут быть допуски на диаметры сопел форсунок, жиклеров карбюраторов и т. д. Функциональный допуск Тф в этом случае

39