Алексаньян И.М. Основы теории надежности. 2017

1.9 Долговечность машины и её элементов

Увеличение долговечности изделий, выпускаемых промышленностью, на 10 % равнозначно дополнительному выпуску более 18 тыс. металлорежущих станков, 58,5 тыс. тракторов и более 11 тыс. комбайнов в год, а увеличение ходимости шин на 10 % равнозначно дополнительному выпуску 6 млн шин в год.

В качестве показателей долговечности единичного изделия используются понятия: технический ресурс (наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние) и срок службы (календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние). Соотношение этих значений для одного и того же вида изделия зависит от интенсивности его использования.

Различают доремонтный, межремонтный, послеремонтный и полный (до списания) срок службы.

Срок службы изделия, в течение которого завод-изготовитель гарантирует исправность системы и несёт материальную ответственность за возникшие неисправности при условии соблюдения эксплуатационных правил, называется

гарантированным сроком службы (рис. 12).

Рис. 12. Определение гарантированного срока службы для простейших однородных изделий:

у– число отказов; τ – срок службы; F – участок площади под кривой плотности распределения отказов, являющихся вероятностью отказов, который можно

задать как нормативную величину; τг – срок, при котором гарантируется полная безотказность работы у = 0; 21 – гарантированный срок, при котором можно принять технически возможное значение у 0; 1 – теоретическая кривая рассеивания стоимости устранения отказов деталей относительно полной стоимости машины, которую для СДМ можно условно принять равной

0,5 ÷ 3 %

41

Прогнозирование гарантированного ресурса

Существуют два способа прогнозирования гарантированного ресурса: ли-

нейный и функциональный.

Функциональный способ применяется при известной наработке машины с начала эксплуатации контролируемого узла, механизма, сопряжения.

Гарантированный срок определяется по формуле

где , при условии α > 1 и > ;

при условии α > 1 и < ;

= 1 при условии α ≤ 1;

где и – предельное и начальное значения параметров, берутся из технических условий на диагностику машины;

–измеренный параметр, полученный при диагностировании;

–наработка с начала эксплуатации нового узла, механизма, сопряжения

до диагностики, берётся из документации по учёту наработки машины;

– показатель степени, характеризующий изменение зависимости, берётся по таблицам статистических данных;

–запас параметра;

–использование параметра;

–коэффициент запаса величины параметра.

Задача

Определить гарантированный ресурс безотказной работы двигателя ЯМЗ240НБ, взяв в качестве параметра эффективную мощность. При наработке

tH = 500 м3, мощность при диагностике составляла Риз = 217 кВт; Рнач = 220 кВт;

Рпр min = 206 кВт; Рпр max = 235 кВт; =2.

1 Определение запаса параметра

Ипр min = Pпр – Риз=206 – 217= –11 кВт; Ипр min = 235 – 217 = 18 кВт.

2 Определение использования параметра

Ип = Риз – Рнач = 217 – 220 = –3 кВт.

3 Определение коэффициента запаса величины параметра При Рпр =206 <Рнач=220 и =2 >1

42

При Рпр=235 >Pнач и =2 >1

Кп 217235 0,92 .

4 Определение гарантированного ресурса

tгар 113 5002 2,92 2677 , при Рпр min..

tгар 183 5002 0,92 1380 , при Рпр max.

Следовательно, при работе с max мощностью отказ не возникает при наработке 1380 м3, а при работе с min мощностью – 2677 м3, т.е. ресурс зависит от интенсивности использования.

Знание гарантированного ресурса безотказной работы машины позволит своевременно определять ее техническое состояние, работоспособность и планировать объемы выполнения работы.

Нормирование долговечности

Различают физическую, моральную и технико-экономическую долговечность.

Физическая долговечность (межремонтный срок службы) определяется по сроку службы быстроизнашивающихся основных деталей ведущих агрегатов до их предельных размеров. Она зависит от прочности и износостойкости деталей, обусловленных конструкцией узла, качеством материалов, технологией изготовления деталей и узлов, качеством монтажа и т.д. Физическая долговечность современных машин измеряется месяцами и лишь в некоторых случаях 2–3 годами службы.

Определение оптимальной долговечности с учётом физического износа

где – физическая долговечность;

– цена новой машины за вычетом средств, полученных при ликвидации машины;

– усреднённая цена каждой новой группы запчастей, заменяемых при очередном ремонте.

Характер изменения величины ежегодных затрат С в зависимости от срока службы машины t с учётом их физического износа показан на рис. 13.

43

– коэффициент, характеризующий ежегодное снижение среднеотрасле-

вых приведённых удельных затрат;

– отношение приведённых удельных затрат, обеспечиваемых машиной в начале последующего ввода, к таким же затратам в начале предшествующего года.

Моральный износ машин наступает в тот момент, когда приведённые удельные затраты по этой машине станут равными среднеотраслевым приведённым удельным затратам (рис. 14).

При дальнейшей эксплуатации машины приведённые удельные затраты по ним станут выше отраслевых. Это означает, что сохранность данной машины в составе парка повлечёт за собой увеличение среднеотраслевых приведённых затрат.

Рис. 14. Определение оптимальной долговечности с учётом морального износа: 1 – среднеотраслевые приведённые удельные затраты по парку машин аналогичного назначения; 2 – приведённые удельные затраты по рассматриваемой машине; 3 – приведённые удельные затраты по новой более совершенной машине того же назначения; А – срок службы рассматриваемой машины с учётом морального износа

Очень часто возникает необходимость определять техникоэкономическую долговечность, т.е. такого момента, когда затраты средств на ремонт машины возрастают, а производство снижается настолько, что дальнейшая эксплуатация машины становится экономически невыгодной. Экономическая долговечность ограничивается 2–4 ремонтными циклами.

45

1.10 Определение остаточного ресурса безотказной работы машины

После оценки состояния сопряжения, узла или агрегата определяется остаточный ресурс, который необходим для предотвращения преждевременных ремонтов, предупреждения отказов машин, вызванных естественным износом и старением деталей, а также для определения объёма работ по замене и ремонту изношенных деталей.

Прогнозирование остаточного ресурса ведётся двумя способами:

Первый способ определения остаточного ресурса сопряжения или механизмов машин по коэффициенту технического ресурса. Сущность этого способа в том, что по трём значениям параметра (начального и двум измеренным при диагностике) и известной наработке с начала эксплуатации до каждой проверки устанавливается закономерность изменения параметра во времени и экстраполирование её до предельного значения параметра.

Способ определения остаточного ресурса по среднестатистическим закономерностям изменения параметра во времени (функциональный статистический способ).

Остаточный ресурс определяется:

где – наработка сопряжения, механизма с начала эксплуатации или после ремонта до диагностики;

–показатель степени, берётся по таблицам статистических данных;

–предельное значение параметра;

–начальное значение параметра;

– значение параметра, измеренное при диагностике.

Вторую формулу используют, когда неизвестна наработка с начала эксплуатации до момента диагностирования. В этом случае пользуются двумя замерами параметров через интервал наработки t.

Достоверность в прогнозировании остаточного ресурса, как правило, определяется точностью показателя степени .

Задача

В процессе диагноза технического состояния автомобильного двигателя «ГАЗ» установлено, что расход газов, прорывающихся в катер после пробега 40000 км, равен 90 л/мин. Предельный и номинальный расход газов соответственно составляет 124 и 50 л/мин. Требуется определить остаточный ресурс двигателя, если известно, что 1,3 .

46

Задача

После наработки двигателя ЯМЗ-238НБ 2000 м-ч давление сжатия цилиндре составило 200 МПа. Предельное и номинальное значения соответствен-

но 140 и 280 МПа. Требуется определить остаточный ресурс двигателя при

1,4

Задача

В новом двигателе СМД-62 расход масла составляет 0,175 кг/м-ч. После наработки 3000 м-ч расход масла составил 0,350 кг/м-ч. Предельный расход масла, свидетельствующий о значительных износах деталей цилиндропоршневой группы 0,455 кг/м-ч. Требуется определить ресурс двигателя, если 2

Таким образом, находя ресурс механизмов и сопряжений можно определять долговечность агрегатов или машины в целом (ЦПГ, коленчатого вала, плунжерных пар топливного насоса), а также с учетом напряженности работы установить не только время поставки машины в ремонт, но объем и длительность ремонта.

Задача

Определить остаточный ресурс КШМ двигателя СМД-62, если при наработке 3000 м-ч зазор в шатунном подшипнике составляет 0,45 мм при номинальном значении зазора 0,12 мм и предельном 0,5 мм; 1,4 .

Задача

Определить ресурс ЦПГ двигателя ЯМЗ-238НБ, если в интервале наработки 200 м-ч угар масла составляет 0,35 и 0,40 кг/ч, при номинальном значения 0,255 кг/ч и предельном 0,75 кг/ч; 1,2 .

Определение изменения параметров при одном и повторном измерении расхода масла:

Иi 1 0,35 0,25 0,1 кг/ч ;Иi 0,40 0,25 0,15 кг/ч .

Определение предельного приращения расхода масла на угар:

Ипр 0,75 0,25 0,5 кг/ч ;

47

1.11 Общие теоретические основы расчета надежности и долговечности машин. Экономический эффект и окупаемость затрат при повышении

надежности и долговечности машин и деталей

Определение показателей надежности и долговечности машин возможно лишь на основе взаимосвязанных законов теории надежности и долговечности машин.

1 Все детали по мере использования машин, в которых они установлены, со временем теряют свои первоначальные физические свойства. Долговечность машин зависит от долговечности наиболее быстроизнашивающихся деталей и от интенсивности воспринимаемых ими нагрузок и других эксплуатационных воздействий (климатических, ударных, вибрационных)

где tm и tmn – расчетный и нормативный срок службы;

x и xn – расчетное и нормативное нагрузочные воздействия; k – параметр функции долговечности.

2 Надежность деталей машин тем выше, чем меньше расчетный (проектный) срок их службы по сравнению с медианным, т.е. сроком, который при заданных условиях использования выдержало бы не менее 50 % деталей

t txm ,

где tm – расчетный срок службы; x – фактор надежности.

Определение годового экономического эффекта Е в народном хозяйстве от повышения долговечности массовых быстроизнашивающихся деталей машин:

Е О S d, руб.,

100

где О – количество изделий, выпущенных заводом в течение года; d – среднее повышение долговечности изделия, %;

S – стоимость одного изделия, руб.

Средняя годовая себестоимость С работы машины

С (0,01К А R) M ,

где К – стоимость машины, руб.;

А– годовые амортизационные начисления

А100 , %;

ТН

ТН – нормативный срок списания стоимости машины; R – годовая стоимость ремонтов машины

где nTO, nT – соответственно число ТО и Т в течение ремонтного цикла;

48

аТО, аТ, аК – нормативные затраты на выполнение одного ТО, ТР и К;

Zo – потери, связанные с простоем машины на ремонтах в течение режимного цикла, руб.;

у – коэффициент, учитывающий категорию ремонтной сложности ма-

шины; М – коэффициент, учитывающий стоимость электроэнергии или горюче-

го, необходимого для работы и обслуживания машины в течение одного года. В связи с повышением надежности и долговечности машин, в результате

применения высококачественных материалов для изготовления изнашивающихся деталей и их тщательной обработки стоимость машины повысится с К до К1, но зато снизятся расходы на ремонты с R до R1 и на потери, связанные с простоем на ремонтах

0,01 К 1 А R1 m, 0,01 K A R

1 m 1.

Если m ≤1, то повышение стоимости машины во время ее использования на производстве по прежним нормам окупится не позже чем в течение 1 года. Если величина m >1, то это вызовет некоторое удорожание продукции, производимой данной машиной, что нежелательно. Поэтому надо рассмотреть некоторые новые условия достижения m >1. Одним из вариантов является некоторое увеличение ТН за счет достигаемого повышения долговечности машин.

Обеспечение безотказной работы машины в течение определенного срока приводит не только к чисто экономическим выгодам, но и к целому ряду аналитически неопределимых преимуществ механизации и автоматизации производства.

2 ТРЕНИЕ И ИЗНАШИВАНИЕ В МАШИНАХ

Внешнее трение – это явление сопротивления относительному перемещению, возникающего между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией энергии.

Трение обуславливается следующими причинами:

протяжённостью поверхности трения;

давлением;

продолжительностью контакта;

скоростью скольжения;

природой материалов.

Двойственная природа трения выражается законом Кулона:

где – сила трения;

– константа, характеризующая способность трущихся тел к взаимному сцеплению (сила трения качения в 10 раз меньше силы трения скольжения);

49

–нормальная реакция;

–коэффициент пропорциональности.

(константа) для грубо обработанных поверхностей мала, поэтому до XX столетия она не принималась во внимание и пользовались упрощённым зако-

ном Кулона или формулой Амонтона:

2.1 Классификация основных видов трения

1 По наличию относительного движения:

1.1Трение покоя – трение двух тел при микросмещениях до перехода к относительному движению;

1.2Трение движения – трение двух тел, находящихся в относительном движении.

2 По характеру относительного движения:

2.1Трение скольжения – трение движения, при котором скорости тел в точке касания различны по величине и направлению или по величине или направлению.

2.2Трение качения – трение движения двух твёрдых тел, при котором их скорость в точке касания одинаковая по величине и направлению.

3 По наличию смазочного материала:

3.1Трение без смазочного материала;

3.2Трение со смазочным материалом – жидкостное трение, характеризующееся тем, что нагрузку несёт находящийся между трущимися поверхностями слой

масла, толщина которого в самом узком месте (hmin) превышает сумму максимальных высот неровностей обеих поверхностей (RZ1 + RZ2) max , hmin ≥ (RZ1+

RZ2) max.

3.3Смешанное полужидкостное;

3.4Граничное трение – такой режим трения, когда трущиеся поверхности разделены только тонкой адсорбированной масляной плёнкой, коэффициент гра-

ничного трения ниже сухого, но выше жидкостного. Режим граничного трения является пределом работоспособности трущихся сопряжений.

Если при жидкостном трении износ наблюдается только при нарушении режима, то при граничном он происходит всегда.

Разновидностью граничного трения является сухое трение несмазанных поверхностей. Такие поверхности в воздушной среде всегда покрыты плёнками окислов и молекул паров и воздуха из атмосферы. Эти плёнки можно рассматривать как смазочное вещество.

Сила трения, возникающая при перемещении несмазанных поверхностей, зависит от вида материала, величины микронеровностей и сил межмолекулярного взаимодействия.

3.5 Ювенильное трение – трение, для которого характерно отсутствие всякой смазки на трущихся поверхностях и их трущихся контактах.

50