Алексаньян И.М. Основы теории надежности. 2017

Коренные и шатунные вкладыши – усталость; выкрашивание анти-

фрикционного слоя; эрозия и коррозия; задиры; проворачивание и выплавление поверхностного слоя.

Пути повышения надёжности агрегатов и узлов двигателя

Высокая безотказность и долговечность двигателей достигается за счёт обеспечения высокой долговечности базовой детали при равностойкости или кратностойкости по отношению к ней остальных деталей. В этом случае целесообразно, чтобы запас долговечности λi любого узла или детали удовлетворял условию:

T

i Ti ,

где – долговечность любого i-го узла или детали и базовой детали. Для некоторой группы не основных легко и быстро заменяющихся деталей

запас долговечности λi может иметь значения в кратное число раз меньше единицы, т.е. 1/2, 1/4, 1/8, но чем ближе λi к единице, тем более отработана конструкция и технология изготовления узла или детали с точки зрения надёжности, а в большинстве случаев и с точки зрения технико-экономической эффективности двигателя.

Надёжность головки блока можно повысить за счёт:

использования материала повышенной прочности и искусственного старения;

применения в межклапанной зоне головки упрочняющих стальных или экранирующих жароупорных вставок;

азотирования межклапанных перемычек;

применения на многоцилиндровых двигателях отдельных головок на каждый цилиндр;

фосфатирования уменьшающего коррозию алюминиевых головок цилиндров;

заливки в межклапанные перемычки стальных вставок, предотвращающих развитие трещин в чугуне.

Для повышения надежности уплотнения газового стыка целесообразно использовать уплотнительные прокладки головки блока цилиндров из асбополотна на основе равнопрочной асбестовой бумаги или асбополотна из сетки, плетённой из стальной проволоки и свитой с асбестовой нитью, при этом величина монтажных сил в уплотнении должна быть в 3 раза больше газовых сил. Одним из прогрессивных решений повышения надёжности газового стыка является применение стальных прокладок.

21

Для снижения износа цилиндров целесообразно:

-применять в верхней части цилиндра нирезистовые вставки, которые снижают коррозионный износ цилиндров при работе на низких тепловых режимах до 25 % и абразивный износ в 1,4–3 раза, и хромирование верхних поршневых колец, что повышает их абразивную стойкость с увеличением содержания хрома;

-улучшать качество топлива и масел;

-применять эффективную защиту от пыли: бумажные воздухоочистители, полнопоточную тонкую очистку масла, уплотнение всех мест возможного проникновения пыли и т.д.

Для уменьшения склонности к абразивным задирам в период приработки:

1)применять приработку с покрытием рабочей поверхности гильз (сульфидированием, фосфатированием, сульфацианированием);

2)управлять микрорельефом виброраскатыванием;

3)хромировать гильзы цилиндров (объем этого мероприятия невелик из-за высокой стоимости);

4)применять алюминиевые цилиндры с хромированной рабочей поверхностью, полученными прогрессивным способом – трансплантацией, осуществляемой следующим образом:

на металлический стержень плазменным напылением наносят слой хрома или молибдена толщиной 0,2–1,5 мм;

напылённый стержень помещают в литейную форму, в которую под давлением заливают расплавленный алюминиевый сплав;

после изъятия стержня цилиндры шлифуют алмазными кругами или хонингуют.

Снизить количество отказов КШМ позволяют следующие технологические и конструктивные мероприятия, повышающие его надёжность.

1 Жидкое азотирование, при котором ресурс гильз можно повысить в 3 раза.

2 Замена центробежной отливки гильз в металлических изложницах с последующим отжигом на отливку в земляные формы с применением корковых стержней, что обеспечивает получение оптимальной структуры гильз и повышение износостойкости гильз на 27 %.

3 Снижение кавитационного разрушения гильз и блока цилиндра в зоне их нижних уплотнений за счёт установки в это место упругих резиновых уплотнительных вставок.

22

4 Применение составного поршня с качающейся шарнирно-закрытой юбкой. В такой конструкции боковые усилия при движении поршня воспринимаются только юбкой, поэтому устраняется радиальное движение колец, расположенных в головке, что уменьшает износ торцевых поверхностей как колец, так и канавок поршня.

Преимущества составного поршня:

-лучшее уплотнение газового стыка, следовательно, уменьшение нагарообразования на деталях ЦПГ;

-меньшее радиальное перемещение колец в канавках поршня, меньший износ колец и канавок;

-уменьшение ударов при перекладке поршня, снижение шумности работы и кавитационного разрушения наружных поверхностей гильз цилиндров.

5 Нанесение на днище поршня теплоизоляционного керамического покрытия, снижающего износ деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) примерно на 20–25%, а также уменьшающем нагарообразование на 25–30 % и старение масла.

6 Уменьшение высоты поршня и количества компрессионных и маслосъёмных колец, что обеспечивает уменьшение потерь на трение, массы и сил инерции возвратно-поступательно движущихся деталей, потребности в запасных частях, металлоёмкости и габаритных размерах двигателя.

7 Использование для колец полимеров, металлокерамики, спекаемых материалов, нанесение на трущиеся поверхности кольца износостойких, противозадирных и приработочных материалов электролитическим способом, металлизацией или плазменным напылением (хром, молибден, титан, бронза) или использование комбинированных покрытий (хромокарбидомолибденовых смесей, карбидовольфрамокобальтовых покрытий).

8 Улучшение прирабатываемости, износостойкости и антизадирных свойств нанесением на них сухих смазочных покрытий типа графита, дисульфидмолибдена и фторопласта.

1.6 Резервирование

Резервирование – это применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов.

Различают два способа резервирования.

1 Общее – резервируется система в целом.

2 Раздельное – система резервируется поэлементно.

Надёжность системы, состоящей из n последовательно включённых элементов при равной их надёжности выражается формулой

23

,

где – надёжность системы;

– надёжность элементов системы.

Если в системе имеется m резервных цепей равной надёжности, то надёжность системы выражается

.

При раздельном резервировании надёжность системы определяется

.

Сопоставление этих уравнений показывает, что раздельное резервирование значительно выгоднее общего

.

Преимущества раздельного резервирования возрастают при увеличении количества резервируемых элементов и кратности резервирования.

Резервные элементы или цепи могут быть подключены постоянно или по мере отказа основной цепи.

Преимущество резервного замещения особенно сильно сказывается при низкой надёжности элементов.

Важным является рациональный подбор резерва запасных частей и за счёт этого сокращение простоев техники по техническим неисправностям.

Задача

Имея статистические данные по условной надёжности элементов КШМ, определить надежность КШМ:

Блок цилиндра – P1 = 0,99

Головка блока – P2 = 0,98

Маховик – P3 = 0,99

Коленчатый вал – P4 = 0,93

Шатун – P5 = 0,97

Поршень – P6 = 0,93

Поршневой палец – P7 = 0,96

Поршневые кольца – P8 = 0,91

Ркшм 0,99 0,98 0,99 0,93 0,97 0,93 0,96 0,91 0,7 .

Подсчитать надёжность двигателя при следующей условной надёжности его механизмов и агрегатов:

КШМ – Р1 = 0,70 ГРМ – P2 = 0,80

Система охлаждения – P3 = 0,90 Система смазки – P4 = 0,85 Система питания – P5 = 0,85

24

Приборы зажигания – P6 = 0,75

При наличии в запасе одного комплекта КШМ

Определим новую надёжность двигателя

т.е. при наличии в запасе одного комплекта наименее надёжного КШМ надёжность двигателя повышается на 30 %.

Надёжность двигателя при наличии в запасе по одному комплекту всех механизмов и систем:

При наличии в запасе одного комплекта всех механизмов и систем надёжность повышается в 2,9 раза.

Если иметь в запасе один полнокомплектный двигатель в сборе, то

При наличии в запасе одного полнокомплектного двигателя в сборе надёжность повысится в 1,74 раза.

Ещё большая эффективность в повышении надёжности будет получена, если вместо механизмов и систем резервировать отдельные детали.

Определим надёжность КШМ, имея в запасе коленчатый вал, поршень и поршневые кольца:

25

При хорошо оборудованных лабораториях и мастерских целесообразно создавать запас из узлов и деталей, а при работе в отрыве от постоянных баз необходимо в запасе иметь агрегаты и узлы.

Таким образом, резервирование – это одно из основных средств обеспечения заданного уровня надёжности объекта при недостаточно надёжных элементах.

Цель резервирования – обеспечение отказоустойчивости объекта в целом, т.е. сохранение его работоспособности, когда возникает отказ одного или нескольких элементов.

1.7 Ремонтопригодность

ГОСТ рекомендует 65 наименований показателей ремонтопригодности, среди которых имеются единичные и комплексные.

Факторы, определяющие ремонтопригодность

1)Конструктивные:

рациональное членение машины на отдельно изготавливаемые и обслуживаемые части (блоки);

доступность конструктивных элементов по ТО и Р;

применение рациональных методов контроля состояния составных частей машины

рациональное размещение и оформление контрольных точек;

применение рациональных видов разъёмных элементов конструкции;

применение удобных для замены и регулировки элементов наиболее изнашиваемых узлов;

обеспечение технологических баз на деталях, которые могут быть использованы при восстановлении;

применение материалов, обеспечивающих наибольшую прочность конструктивных элементов при минимальных затратах;

защита конструктивных элементов машины от неблагоприятных воздействий внешней среды.

2)Производственно-технологические:

применение при изготовлении деталей технологических процессов и режимов, обеспечивающих требуемый уровень прочности, износостойкости

иточности;

обеспечение эффективности контроля качества и объективных испытаний изготавливаемых машин и деталей;

рациональная организация производства и труда специалистов на рабочих местах;

обеспечение требуемой точности изготовляемых деталей и сборки узлов, агрегатов и машины в целом;

уровень технологической дисциплины.

26

3)Эксплуатационные:

применяемые системы ППР;

техническое оснащение работ при ТО и Р;

квалификация специалистов по управлению и ремонту машин;

обеспеченность работ по ТО и Р необходимыми материалами и запасными частями;

степень соблюдения правил эксплуатации и режима использования машины;

совершенствование технологических процессов ТО и Р.

Отработка изделий на ремонтопригодность предполагает:

1 Снижение потребности в ТО и Р за счет использования деталей и сборочных единиц с высокими показателями долговечности, безотказности и сохраняемости.

2 Ограничение требований к квалификации персонала, осуществляющего ТО и Р путём:

автоматизации и контроля технического состояния и диагностирования изделий, а также механизации работ по ТО и Р;

определяемости и ясности в обозначении мест контроля технического состояния изделий, смазки, регулировки и крепления;

логической последовательности и удобства выполнения операций ТО и Р исключения возможности неправильного выполнения демонтажномонтажных операций по ТО и Р;

четкости и лаконичности изложения указаний по ТО и Р в эксплуатационной и ремонтной документации.

3 Обеспечение технологичности изделий за счёт:

уменьшения числа контролируемых параметров и выполнения операций при ТО;

повышения взаимозаменяемости составных частей изделия;

обеспечения доступности к основным частям изделия;

обеспечения легкосъёмности составных частей изделия;

стандартизации и унификации составных частей изделия и эксплуатационных материалов;

сокращения количества объектов изделия, требующих регулярного проведения ТО;

сокращения номенклатуры и типоразмеров крепёжных деталей;

совершенствования антикоррозионной защиты изделия;

обеспечения приспособленности изделия к выполнению моечных, крепёжных, регулировочных, смазочных, контрольно-диагностических и ремонтных работ, т.е. монтажепригодности и восстанавливаемости;

27

ограничения числа и номенклатуры материалов, инструмента, вспомогательного оборудования и приспособлений.

Например, изделие будет ремонтопригодным в следующих случаях:

-часто снимаемые крышки люков установлены на быстросъемных зажимах;

-на колесах установлены сигнализаторы снижения давления в шинах до минимально допустимой величины и имеется возможность накачивания и подкачивания шин от пневмосистемы, а также обеспечивается свободный доступ к вентилям шин сдвоенных колес;

-на агрегаты массой больше 30 кг предусмотрены захваты, рымболты, проушины и пр., что облегчает снятие и транспортирование их грузоподъемными средствами;

-в системе электрооборудования установлены штекерные разъемы, позволяющие снимать основные узлы и осветительные приборы без развинчивания контактных соединений;

-работы по очистке от нагара поршней, смену поршней и поршневых колец, притирку клапанов, замену вкладышей подшипников коленчатого вала можно выполнить непосредственно на изделии;

-число типоразмеров мест «под ключ» резьбовых пробок сливных и заливных отверстий не более трех;

-любые работы по подтяжке болтовых соединений может выполнять один человек;

-все крепежные детали, подверженные воздействию влаги, имеют антикоррозионное покрытие, а где это возможно, изготовлены из пластмассы;

-предусмотрены узлы трения, не требующие смазки, а число марок применяемых смазочных материалов не более шести;

-в конструкциях тормозов предусмотрены лючки, закрываемые легкосъемными пробками, позволяющие визуально контролировать толщину фрикционных накладок тормозных колодок без разборки;

-в системах гидро- и пневмоусиления механизмов изделия имеются устройства для контроля ТО систем без разборки и снятия их с изделия;

-в топливонасосе имеются небольшие фильтры-отстойники со стеклянным колпачком, а фильтр тонкой очистки топлива выполнен в тонком прозрачном корпусе и крепится только двумя пластинчатыми зажимами;

-масляные насосы расположены так, что поломка маслозаборника приводит к прекращению подачи масла, а система охлаждения с водомасляным теплообменником и термостатами исключает большие отложения;

-в системе смазки применены сменные фильтрующие элементы, а в системе охлаждения – антифриз, имеется датчик сигнализирующего обслуживания воздухоочистителя и т.п.

Ксожалению, большинство отечественных конструкций неконкурентоспособны из-за того, что они неремонтопригодны.

28

Основными комплексными экономическими показателями являются

1 Средние затраты денежных средств на ТО и Р. 2 Средние затраты труда.

3 Суммарные затраты денежных средств на ТО и Р. 4 Суммарные затраты труда по парку.

5 Средние суммарные удельные затраты денежных средств на машину. 6 Средние суммарные удельные затраты труда на машину.

Суммарные затраты на выполнение ТО и Р машины за достаточно большой интервал времени её эксплуатации или наработки характеризуют соотношение свойств ремонтопригодности, безотказности и долговечности, подобно тому как коэффициент готовности характеризует соотношение ремонтопригодности и безотказности.

Уровень безотказности влияет в основном на периодичность неплановых ТО и Р, при этом если показатели и параметры безотказности и долговечности машин, а иногда и сохраняемости машины, определяют периодичность ТО и Р, то параметры ремонтопригодности определяют требования к количеству и квалификации персонала, к оснащению системы ремонта машин технологическим и другим оборудованием, материалами и полуфабрикатами.

Экономические показатели, оценивающие технологичность ремонта

1 Средняя трудоёмкость ремонта.

2 Средняя стоимость ремонта.

3 Суммарная трудоёмкость ремонта.

4 Суммарная стоимость ремонта.

5 Удельная трудоёмкость ремонта.

6 Удельная стоимость ремонта.

Дополнительные показатели ремонтопригодности, позволяющие производить сравнение конструкции машин

1 Коэффициент применяемости конструктивных элементов

где – количество типоразмеров стандартных деталей в машине;

–количество нормализованных деталей (70 %);

–количество заимствованных деталей;

–количество покупных сборочных единиц и деталей;

–общее наименование конструктивных элементов машины.

29

2 Коэффициент унификации

где – количество унифицированных деталей. 3 Коэффициент конструктивной преемственности

где – количество наименований освоенных сборочных единиц и деталей.

4 Коэффициент взаимозаменяемости

где – количество взаимозаменяемых деталей. 5 Коэффициент восстановления ресурса

где – ресурс восстановленной детали или машины;

– ресурс новой детали.

6 Коэффициенты технической оснащенности при обслуживании и ремонте

где – стоимость технологического оборудования при обслуживании;

–стоимость технологического оборудования при ремонте;

–стоимость технологического оборудования при изготовлении новой машины.

Коэффициенты технической оснащенности при обслуживании и ремонте характеризуют вооружённость производства.

Задача

Определить численные значения дополнительных показателей ремонтопригодности – коэффициентов, характеризующих вооруженность производства, и обосновать, какой из приведенных вариантов, на Ваш взгляд, способствует более эффективной эксплуатации исследуемых изделий.

30