Учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Технология обслуживания, ремонта и консервация судов для специальности 1-37 03 02 Кораблестроение и техническая эксплуатация водного транспорта

Рисунок 1.1 – Взаимосвязь износов и шероховатости поверхностей трения со сроком службы деталей

Первые два периода по продолжительности и характеру протекания физических процессов трения тесно связаны с микрорельефом трущихся поверхностей. В любом случае желательно, чтобы технологический микрорельеф возможно больше приближался к эксплуатационному. Это означает, что в период нормальной эксплуатации при технологическом микрорельефе соответствующем эксплуатационному Rа(Э), можно считать скорость изнашивания постоянной, которая устанавливается после приработки.

С другой стороны, в период приработки технологический микрорельеф качественно и количественно к эксплуатационному независимо от того Rа(Т) > Rа(Э) или Rа(Т)<Rа(Э). Объясняется это тем, что в первом случае при Rа(Т) > Rа(Э) чрезмерно большие микронеровности интенсивно изнашиваются, а во втором Rа(Т) износ увеличивается из-за отсутствия на поверхности трения микрорезервуаров для удержания смазки.

Зависимость W = f(Rа) получена экспериментальным путем (рисунок 1.2). Она достаточно объективно показывает существование минимального износа Wmin при некоторой шероховатости Rа(опт).

Отсюда следует вывод о том, что при изготовлении и ремонте деталей сборочных единиц, работающих в условиях трения скольжения важно обеспечивать технологические параметры микрорельефа, приближающимися к эксплуатационным Rа(Э) или, что одно и то же, к Rа(опт).

11

Рисунок 1.2 – Зависимость износа деталей от шероховатости поверхностей трения

Интенсивность изнашивания судовых конструкций, деталей машин и механизмов, устройств и систем существенно отличается не только по этим элементам судна, но и в составе отдельных сборочных единиц. Часто на практике возникают такие ситуации, при которых суда выводят из эксплуатации для ремонта или восстановления износившихся конструкций и машин, в то время как другие элементы этих же конструкций не требуют восстановления работоспособности. Отсутствие такой равно- и кратно износостойкости усложняет планирование и технологическую подготовку судоремонта.

В организационном отношении в смежных отраслях разработаны предложения по проведению ремонтных работ на основании оценки фактического состояния конструкций и машин. Так называемое техническое обслуживание и ремонт по фактическому состоянию наиболее характерно для рыбопромысловых и морских судов, как часто находящихся на значительном удалении от ремонтных баз.

Отсюда следует, что одной из основных задач совершенствования судов должно являться повышение износостойкости судовых конструкций или машин в целом и обеспечение равноили кратно-износостойкости основных деталей, срок службы которых предопределяет ресурс изделия.

Классификация процессов изнашивания ГОСТ 23.002-78 устанавливает три основные группы изнашивания в машинах:

−механическое;

−коррозионно-механическое;

−абразивное изнашивание элементов конструкций и машин.

Наиболее характерными для большинства отдельных деталей и сборочных единиц, машин и механизмов является механическое изнашивание как результат процессов трения, упругого и пластического взаимодействия контактирующих поверхностей и т.д.

В основе современной молекулярно-механической теории сухого и граничного трения лежит понятие дискретности контакта двух твердых и шероховатых тел. По этой теории внешнее терние осуществляется на отдельных пятнах контакта размером 0,1–30

12

мкм, которые распределены по поверхности взаимодействия неравномерно и сосредоточены на микровыступах реального рельефа.

Эти пятна контакта не остаются постоянными, а при увеличении удельных нагрузок последовательно изменяются и приводят к росту фактической площади соприкосновения. В результате между сближающимися телами образуются прочные связи межмолекулярного взаимодействия, которые называют адгезией.

Механическое взаимодействие разделяют на:

−упругое;

−пластическое контактирования;

−микрорезание.

Для уменьшения эффекта взаимодействия тел при трении применяют смазочные материалы в виде специальных масел и присадок. Смазочные материалы вступают в контакт с поверхностью металла и образуют химические соединения с малыми коэффициентами трения. Особое место в изучении процессов при трении занимает «эффект безизносности». Этот эффект заключается в избирательном растворении смазочными материалами, содержащими поверхностно-активные вещества, отдельных легирующих элементов, например, олова. Благодаря такому действию износостойкость пар трения существенно возрастает.

Механическое изнашивание деталей судовых механизмов приводит к увеличению зазоров в сборочных единицах, необходимости проведения дополнительных регулировок механизмов в эксплуатации и ремонтных работ.

Эффективными средствами снижения износов при трении являются повышение поверхностной твердости деталей, совершенствование смазки сборочных единиц и т.п.

Абразивное изнашивание можно рассматривать как разновидность механического взаимодействия, при котором поверхности трения или соприкосновения разрушаются твердыми частицами материалов. Эти частицы могут быть продуктами изнашивания (например, подшипники скольжения) или составляющими той среды, в которой работают механизмы (например, частицы песка в воде при эксплуатации судов на мелководье, взаимодействие дноуглубительных снарядов с грунтом и т.п.).

Интенсивность линейного изнашивания dW/ds при трении металла об абразивную поверхность определяется по формуле:

Эта закономерность показывает, что абразивный износ прямо пропорционален пути трения (при прочих постоянных условиях). В некотором диапазоне скоростей, когда нет заметного нагрева, скорость линейного абразивного изнашивания:

Эта закономерность показывает, что абразивный износ при прочих равных условиях зависит от скорости скольжения по поверхности трения. Для отожженных сталей и чистых металлов абразивный износ

а скорость изнашивания

где Н – твердость металла, НВ; р – давление, Па;

vск – скорость скольжения, см/с.

Для термически обработанных сталей (после закалки и отпуска) абразивный износ:

т.о = ⁄ = м⁄[(1 − ) 0 + т.о] (1.9)

где H0 – твердость отожженной стали, НВ;

см – коэффициент, зависящий от состава стали (β = 0÷1,0); Hт.о – твердость стали после термообработки, НВ.

Абразивные частицы находятся во взвешенном состоянии в воде, масле, воздействуют на поверхности трения в сопряжении, внедряются в более мягкие материалы и царапают более твердые сплавы. Так, например, попадая в баббитные или бронзовые подшипники, твердые частицы внедряются в них и царапают шейки валов.

Значительное количество деталей судовых механизмов требует замены или ремонта из-за механического взаимодействия их поверхностей, т.е. механического зацепления выступов на плохо обработанных поверхностях, взаимного внедрения металлов в процессе трения, царапин и надрезов на поверхности трущихся деталей под действием абразивных частиц, охрупчивания поверхностного слоя вследствие наклепа.

Отдельные детали судовых механизмов изнашиваются под действием химических и электрохимических процессов коррозии или одновременно действующих факторов механического и коррозионного износа, при этом появление продуктов коррозии усиливает и ускоряет механический износ.

Коррозионное и коррозионно-механическое изнашивание в наибольшей степени типично для судовых конструкций. При эксплуатации судовых дизелей оно проявляется у деталей, охлаждаемых водой, и происходит интенсивно особенно в условиях высоких вибраций деталей. Такой интенсификации способствует явление кавитации.

Информация о физико-химических процессах старения машин и конструкций позволяет установить закономерности износа, возникновение повреждений и поломок узлов и деталей. Изучение этих процессов дает возможность судить о скоростях изнашивания, долговечности отдельных деталей и узлов, причинах отказа в работе

14

машин, экономичности их эксплуатации. Разработаны и рекомендуются несколько

методов определения износа машин.

Наиболее часто используются следующие четыре метода оценки износа:

1)по техническому состоянию машины в целом;

2)по техническому состоянию важнейших конструктивных элементов;

3)по сроку службы;

4)по объему выполненной работы или наработке машины.

Взависимости от состояния трущихся поверхностей и условий смазки между сопряженными поверхностями различают два вида трения: трение без смазочного материала и трение со смазочным материалом.

Трение двух поверхностей без смазки происходит при отсутствии каких-либо смазывающих материалов. Такой вид трения происходит при повышенных температурах на конкретных поверхностях, при этом возможна пластическая деформация поверхностных слоев, возникновение схватывания и катастрофического изнашивания. Трение возникает на поверхностях двух тел при наличии весьма тонкого масляного слоя, толщина которого измеряется в-десятых долях микрометра. Действие смазки при трении зависит как от вязкости масла, так и от присутствия в нем поверхностноактивных веществ.

Последние оказывают положительное влияние на интенсивность изнашивания при небольших нагрузках. При значительных нагрузках смазочная пленка разрушается и начинается процесс зацепления неровностей, возникновение микротрещин, пластическое деформирование трущихся поверхностей и разрушение.

Вреальных узлах трения большинство сопряжений работает при неполной смазке: цилиндровая втулка-поршневое кольцо, палец-втулка верхней головки шатуна, клапан-направляющая втулка.

При трении без смазочного материала работают: тормозной барабан-колодка, диск-муфта сцепления, клапан-седло и др.

1.1.2Методы оценки износов

На практике установление превалирующих износов деталей и сборочных единиц, а также соотношений между теми или иными видами изнашивания осуществляют на основании лабораторных или эксплуатационных наблюдений. Различная природа изнашивания корпусов судов, машин, устройств и систем предопределяет особенности подхода к оценке и изучению износов, так как в одних случаях изнашивание является процессом стохастическим, а в других подчиняется временным закономерностям.

Тогда, когда процессы изнашивания по своей природе являются случайными, а также тогда, когда стремятся получить интегральные представления о параметрах этих процессов, обычно обращаются к статистическому анализу износов судовых конструкций, машин и механизмов. При достаточной представительности исходной информации, а также обоснованном ранжировании факторов, влияющих на износ (условия эксплуатации, марки дизелей, сорт топлива и т.п.), параметры статистического анализа являются устойчивыми и пригодными для принятия прогнозных решений.

15

Статистический анализ ведут по специальным методикам на основании большого количества измерений фактических размеров деталей. Он требует довольно продолжительных наблюдений за эксплуатацией конструкций машин, а также значительных затрат на проведение измерений, сбор и обработку информации.

В лабораторных условиях при исследованиях износостойкости пар трения и проведении сравнительных испытаний используют различные инструментальные и радиометрические методы.

К инструментальным методам относят микрометрические и весовые измерения, методы исследования отработавшего масла и искусственных баз.

Область применения микрометрических измерений при оценке износов весьма ограничена из-за того, что численные значения износов (изменения линейных размеров) при сравнительно непродолжительных лабораторных исследованиях образцов (деталей) изменяются мало и для определения этих малых изменений необходима высокая точность измерительных средств.

При весовом методе оценки износов испытываемые образцы взвешивают на аналитических весах до и после экспериментов. В этом случае для уменьшения погрешностей повышенные требования предъявляются к качеству подготовки образцов перед взвешиваниями (качеству очистки, удаления смазочных материалов, особенно при изучении износостойкости пористых металлов и т.п.). По понятным соображениям этот метод пригоден для оценки износов деталей, имеющих небольшую массу.

Пробы отработавшего масла в любой машине содержат в своем составе продукты изнашивания (металлические включения, элементы, входящие в состав материалов трущихся пар, и т.п.). Если любым лабораторным методом (например, сжиганием пробы и последующим анализом остатка) исследовать содержание этой пробы, то по количественному и качественному составам ее вполне достоверно можно оценить износостойкость пары трения. Такая методика исследования составляет основу оценки износов и скоростей изнашивания машин с помощью стандартных проб отработавшего масла.

Метод изучения износов деталей с применением искусственных баз состоит в том, что на исследуемую поверхность наносят специальные лунки. Геометрические размеры таких лунок при изнашивании изменяются. Эти изменения регистрируют приборами и, сопоставляя их с первоначальными значениями размеров, делают заключение о скоростях изнашивания деталей. Метод искусственных баз так же, как и предыдущий метод, является пригодным для проведения исследований на реальных дизелях и требует обязательной большей или меньшей разборки сборочной единицы.

Радиометрические методы относят к экспресс-методам оценки износостойкости. При проведении испытаний они разборки деталей не требуют. Сущность их состоит в том, что на исследуемую поверхность в ускорителях частиц наносят радиоактивную метку. В процессе изнашивания радиоактивность этой метки уменьшается. По интенсивности изменения радиоактивности метки судят о фактических скоростях изнашивания. При стендовых испытаниях метод обеспечивает получение надежной информации на динамических режимах эксплуатации дизелей. Однако он требует строгого соблюдения правил охраны труда и техники безопасности.

16

1.1.3 Технический надзор

Технический надзор за постройкой, эксплуатацией, ремонтом и переоборудованием судов речного флота осуществляет Речной Регистр (далее Регистр) на основании Правил классификации и постройки судов внутреннего плавания (в дальнейшем Правил), в которых конкретно указаны все объекты, подлежащие техническому надзору.

Непосредственное наблюдение за строящимися и эксплуатируемыми судами во всех бассейнах речного флота ведут Инспекции Регистра.

Технический надзор Регистр проводит путем следующих освидетельствований: первоначального, очередного, классификационного ежегодного и внеочередного.

Первоначальное освидетельствование предусматривает взятие судна на учет Регистром после постройки, капитального ремонта и модернизации, если в последних двух случаях произошли изменения основных элементов судна.

Первоначальное освидетельствование судов производит Инспекция в объеме, необходимом для установления их конструктивных особенностей и определения технического состояния. При этом освидетельствовании судну присваивается класс и выдают судовые документа Регистра, а если судно предъявляют к освидетельствованию впервые, то ему присваивают регистровый номер.

Очередное освидетельствование проводят с целью определения технического состояния судна, и, как правило, оно предшествует среднему или капитальному ремонту. Для осмотра подводной части корпуса судна при этом освидетельствовании требуется постановка судна в док или подъем его на слип.

Периодичность очередных освидетельствований зависит от периодичности

классификационных освидетельствований. Перед очередным освидетельствованием судовладелец проводит дефектацию основных конструкций, машин, устройств и систем. На основании результатов этой дефектации и выборочного осмотра Инспекции Речного Регистра оценивают техническое состояние и предъявляют требования по объемам ремонта и условиям эксплуатации судна.

Классификационное и очередное освидетельствование судов внутреннего плавания в обоснованных случаях могут быть отсрочены на два года.

Классификационное освидетельствование проводят после очередного освидетельствования. К этому времени судовладелец представляет результаты измерений параметров элементов судна при дефектации судна, сертификаты на детали, замечания на основании очередного освидетельствования.

Результатом классификационного освидетельствования является признание (непризнание) судна годным к плаванию.

Периодичность классификационного освидетельствования составляет один раз в пять лет, начиная от даты первичного освидетельствования.

Ежегодное освидетельствование проводят в период, между классификационными. При этом проверяют техническое состояние основных элементов судна и продляют срок действия судовых документов. При ежегодном освидетельствовании преимущественно проводят наружные осмотры элементов судна в установленных объемах.

17

Внеочередное освидетельствование выполняют, в частности, после аварий, по заявкам судовладельца, для получения разрешения на разовые переходы в условиях, не соответствующих классу судна, при изменении назначения судна, рода перевозимого груза и т.п.

Технический надзор за ремонтом, переоборудованием и модернизацией элементов судна осуществляют на основании документации, согласованной с Регистром.

Дефектацию судна выполняют специальные комиссии с учетом вида предстоящего освидетельствования и соответствующих нормативов.

1.1.4 Основные показатели и расчеты надежности машин и судовых конструкций

Оценка качества отремонтированного судна или механизма может быть произведена путем сравнения его показателей с показателями нового судна или механизма той же модели, а также сравнением с показателями модели или судна, отремонтированного на передовом специализированном предприятии.

Наиболее обобщенным показателем уровня качества нового судна является показатель, определяемый отношением:

где Q и Q1 – объемы транспортной (ресурс, ч) работы, выполненной новым и отремонтированным судном, механизмом за срок службы до следующего ремонта;

C и Cр – стоимость изготовления и ремонта;

Cэ и Cэ′ – стоимость эксплуатации нового и отремонтированного судна,

механизма.

Уровень качества отремонтированного судна, механизма по сравнению с уровнем качества нового судна, механизма того же типа может быть оценен коэффициентом:

Из формулы следует, что уровень качества отремонтированного судна, механизма выражается безразмерной величиной, что позволяет оценивать качество ремонта дизелей, узлов, агрегатов и других механизмов.

В настоящее время значение коэффициента Kр во многих случаях колеблется в пределах 0,6–0,8. В дальнейшем по мере совершенствования технологии и организации

18

судоремонтного производства значение коэффициента Kр все более будет приближаться к единице.

ГОСТ 13377–75 устанавливает основные определения надежности.

Надежность – свойство объекта (судна, дизеля, агрегата, узла) выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих режимам и условиям использования. Надежность судна обусловливается безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью, а также долговечностью его частей.

Работоспособность – состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах установленных нормативно-технической документацией.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. Неисправность – состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы

одному из требований, установленных нормативно-технической документацией. Наработка – продолжительность или объем работы объекта.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Предельное состояние изделия определяется невозможностью его дальнейшей эксплуатации или снижением эффективности, пли требованиями безопасности и оговаривается в технической документации. Показателями долговечности могут служить ресурс, срок службы.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Под устранением отказов подразумевается восстановление работоспособности. Сохраняемость – свойство объекта непрерывно сохранять исправное и

работоспособное состояние в течение и после срока хранения и транспортирования. Показателями сохраняемости может служить средний срок сохраняемости.

Наработка на отказ – отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки. Если наработка выражается в единицах времени, можно применять термин «среднее время безотказной работы».

Ресурс tp – наработка объекта от начала эксплуатации до предельного состояния, оговоренного в технической документации. В отношении судна и его агрегатов можно различать ресурс до капитального, среднего или заводского ремонта.

Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации объекта до момента возникновения предельного состояния, оговоренного в технической документации. Различают срок службы до капитального, среднего или текущего ремонта, срок службы до списания и др.

19

Время безотказной работы представляет собой случайное явление, поэтому статистические характеристики надежности носят вероятностный характер и могут быть определены на основе статистических данных.

Если t – время, в течение которого необходимо определить вероятность безотказной работы P(t) объекта, а Т – период времени его работы до первого отказа, тогда вероятность безотказной работы:

Вероятность безотказной работы является убывающей функцией времени. Другие свойства этой вероятности:

где N – число изделий, оставшихся работоспособными до конца наработки; n – общее число наблюдаемых изделий.

Интенсивность отказов представляет собой отношение плотности распределения наработки до отказа f(t) к вероятности безотказной работы P(t):

статистически