Надежность механических систем. Учебно-методическое пособие

3.5. Повышение надежности и долговечности деталей машин при их ремонте

3.5. Повышение надежности и долговечности деталей машин при их ремонте

Принцип оптимальной надежности достигается нужным сочетанием однократного (разового) резервирования материальной структуры машины и периодического восстановления стареющих структурных элементов машины (т. е. ее ремонтом). Как известно, ремонт осуществляется при одновременном функционировании машины. Он включает операции по замене и восстановлению отказавших или пришедших в предельное состояние элементов машины, поэтому ремонт можно рассматривать как особый вид динамического резервирования без изменения материальной структуры машины.

Одноразовое резервирование (т. е. обеспечение заданной надежности машины путем подбора необходимых элементов, обладающих необходимыми величинами надежности) материальной структуры осуществляется на стадиях проектирования и изготовления машины.

Ремонтом называют комплекс работ для поддержания и восстановления исправности или работоспособности машин.

Ремонт можно выполнять:

−  для поддержания исправности (работоспособности) – такой ремонт является составной частью технического обслуживания и назы-

вается текущим;

−  восстановления исправности (работоспособности) и поддержания ресурса машины – такой ремонт называют капитальным.

Обеспечение или повышение надежности машин путем восстановления (ремонта) деталей машин, упрочнения и повышения их износостойкости осуществляется различными технологическими приемами. К ним относятся методы:

1)наращивания на дефектную (изношенную) поверхность деталидругогоматериалапутемнаплавкиметаллическихматериалов,напыления металлических и полимерных покрытий (материалов), электрохимического и химического осаждения металлических покрытий;

2)перемещения материала детали с одного участка к другому посредством статической деформации с помощью осадки, раздачи, вытяжки и накатки;

3) восстановления целостности тела детали сваркой, пайкой и склеиванием;

51

Глава 3. Обеспечение надежности машин при проектировании

4)удаления материала с поверхности детали путем механической обработки посредством обточки, фрезерования, шлифования,

атакже путем пригоночных работ (опиловки, шабрения, притирки);

5)восстановления относительного положения поверхностей детали в пространстве путем статического нагружения, чеканки, местного (локального) нагрева.

3.5.1. Восстановление деталей. Классификация основных методов

На изготовление новых деталей, а также восстановление изношенных и поврежденных тратится значительная часть расходов ресурсов при ремонте машин. Так, даже на специализированных заводах они доходят до 50 % стоимости и 40 % трудоемкости ремонта машин.

Сокращение расходов – важная задача, одним из путей решения которой является восстановление дефектных деталей. Как уже отмечалось, типичные дефекты деталей и сборочных единиц следующие:

−  нарушение посадки между сопряженными поверхностями; −  нарушение размеров, геометрической формы и относительного

положения в пространстве поверхностей деталей; −  ухудшение свойств материала; −  ухудшение внешнего вида.

Задача восстановления дефектных сопряжений и деталей состоит в возврате утраченных свойств: посадки, формы, относительного положения в пространстве поверхностей, свойств материала и внешнего вида деталей.

Восстановить посадку между сопряженными поверхностями деталей можно следующими методами:

−  обработкой изношенной поверхности одной детали и заменой сопряженной детали (способ ремонтных размеров);

−  применением дополнительной ремонтной детали (компенсатора износа);

−  восстановлением первоначальных размеров сопряженных поверхностей деталей.

Восстановить деталь или ее отдельные поверхности можно следующими методами:

52

3.5. Повышение надежности и долговечности деталей машин при их ремонте

−  наращиванием на дефектную поверхность детали другого материала;

−  перемещением посредством пластической деформации материала детали с одного участка к другому (изношенному);

−  восстановлением целостности тела детали; −  снятием (удалением) материала с поверхности детали;

−  восстановлением относительного положения поверхностей детали в пространстве.

3.5.2. Способы восстановления посадки между сопряженными поверхностями деталей

Первый – наиболее распространенный способ – способ ремонтных размеров, по которому восстанавливают посадку путем механической обработки наиболее сложной детали и замены сопряженной с ней детали новой.

Размеры обрабатываемой детали регламентируются системой ремонтных размеров. Это делается для того, чтобы иметь достаточное число запасных частей, а также технологическую оснастку. Ремонтные размеры для каждого сопряжения, а также их количество рассчитывают на основе величин ремонтного интервала и предельной толщины слоя металла, который может быть снят с детали при сохранении достаточной работоспособности.

Ремонтный интервал (θ) – это сумма величин уменьшения тела детали в результате изнашивания и обработки. Обработку поверхности детали выполняют для восстановления ее геометрической формы и положения в пространстве, а также для обеспечения необходимой шероховатости поверхности.

Например, максимальная толщина слоя (рис. 3.7), который можно снять (в процессе изнашивания и обработки), определяется условиями прочности или износостойкости (если поверхность упрочнена на ограниченную глубину).

Для валов в большинстве случаев допускают уменьшение диаметра шейки до 5 % их номинального размера (исходя из условия прочности). Дальнейшее уменьшение диаметра шейки разрешают только при наличии расчета, доказывающего допустимость намечаемого уменьшения.

53

Глава 3. Обеспечение надежности машин при проектировании

Рис. 3.7. Схема процесса изнашивания и обработки детали

Количество ремонтных размеров определяют по следующим формулам:

• для охватывающей детали

где Dmax, dmin – предельно допустимые размеры охватывающей и охватываемой детали соответственно; Dн, dн – их номинальные размеры; θ – ремонтный интервал.

Этот способ простой и надежный.

Недостатки – усложнение производства; удорожание ремонта из-за выбраковки одной из деталей, необходимость увеличения запасов сменных деталей и, соответственно, снижение оборачиваемости оборотных средств.

Общий ремонтный интервал вычисляется по формуле

где dн – номинальный размер; dизн – размер после износа; dр1 – размер после обработки (первый ремонтный размер); δ′ – толщина износного слоя; δ″ – толщина слоя, снятого в результате обработки.

54

3.5. Повышение надежности и долговечности деталей машин при их ремонте

Кроме этого, эксплуатационные недостатки – ухудшение работы сочленений при большом изменении размеров (изменение скорости относительногоперемещения,давления,инерционныхнагрузок),что вызывает ускоренный износ.

При отсутствии регламентаций на ремонтные размеры деталь обрабатывается до устранения дефекта, а заменяемая деталь изготавливается с подгонкой к основной детали.

Второйспособзаключаетсявпостановкедополнительнойремонтной детали (рис. 3.8) и состоит в том, что в сопряжение для компенсации износа вводят дополнительную деталь (компенсатор износа).

Рис. 3.8. Схема способа постановки дополнительной ремонтной детали

Надежность ее соединения с основной деталью достигается посадкой с гарантированным натягом, сваркой, с помощью винтов и штифтов, но снижается жесткость сопряжения, повышается теплонапряженность, что ускоряет износ. Наиболее эффективным является восстановление посадок сопряженных поверхностей с одновременным восстановлением первоначальных размеров деталей.

Способ пластических деформаций приведен на рис. 3.9. Ремонтируемая деталь является удобной заготовкой, поскольку

не требует новых материальных и трудовых затрат. Ее размеры в максимальной степени соответствуют окончательным размерам, поэтому восстановление связано с минимальным объемом механической обработки. При этом количество повреждений поверхностей, как правило, невелико, а восстановительные работы имеют небольшой

55

Глава 3. Обеспечение надежности машин при проектировании

объем, поэтому стоимость отремонтированных деталей даже в условиях несовершенного ремонтного производства оказывается в несколько раз ниже, чем стоимость новых. Применение эффективных методов упрочнения при ремонте позволяет повышать ресурсы отремонтированных деталей по сравнению с ресурсами новых деталей. Все это определяет высокую эффективность правильно организованного восстановительного ремонта. При огромном парке машин этот метод обеспечивает значительную экономию материалов, энергии и трудозатрат.

Рис. 3.9. Схемы восстановления деталей пластическим деформированием:

а– осадка; б – вдавливание; в – раздача; г – обжатие; д – вытяжка;

е– правка (Рд – направление деформации)

Ремонт обработкой давлением основан на пластическом деформировании материала, перераспределении его и благоприятном изменении формы и размеров детали без изменения ее массы. Применяют

56

3.5. Повышение надежности и долговечности деталей машин при их ремонте

следующие виды обработки давлением (см. рис. 3.9): осадку, вдавливание, раздачу, обжатие, вытяжку, правку, накатку, обкатку роликом, дробеструйный наклеп и чеканку.

При осадке деталь деформируют в направлении, перпендикулярном усилию. Осадкой восстанавливают бронзовые втулки с износом по наружному и внутреннему диаметрам. При деформировании в холодном состоянии их высоту можно уменьшить до 15 %. Для сохранения отверстий во втулке их при осадке заполняют вставками. Диаметр пальца должен быть меньше, чем у отверстия втулки с учетом припуска на обработку.

При восстановлении детали вдавливанием направления усилия

идеформации также взаимно перпендикулярны, но преобладает местная деформация детали, так что ее общие размеры не меняются столь значительно, как при осадке. Вдавливанием восстанавливают изношенные боковые поверхности шлица на валах, зубья шестерен и др. Восстановление стальных деталей проводят с нагревом

ибез него.

Восстановление раздачей применяют для увеличения наружного диаметра полых цилиндрических деталей без изменения высоты. Раздачу проводят под постоянный размер шариком или пуансоном либо под любой размер – развальцовкой отверстия.

Обжатие применяют при решении задачи, обратной раздаче. Обжатие проводят проталкиванием детали через матрицу меньшего диаметра или деформированием металла в зоне отверстия. Стальные детали перед этим нагревают до температуры 800–950 °С. Обжатием восстанавливают втулки, зубчатые муфты с внутренними изношенными зубьями, звенья гусениц, рычаги, шатуны и др.

Вытяжку применяют для увеличения длины детали путем местного уменьшения ее поперечного сечения, для удлинения стержневых элементов (тяг) на небольшую длину.

Восстановление правкой обеспечивает исправление искривленных, скрученных и покоробленных деталей. Правкой восстанавливаютвалы,шатуны,рычаги,вилки,кронштейны,элементыметаллокон- струкций.Принебольшойдеформации(до1,5–2мм)правкупроводят в холодном состоянии, а при большой – в нагретом. В обоих случаях после правки нужна термообработка детали для стабилизации правки, снятия остаточных напряжений и улучшения механических

57

Глава 3. Обеспечение надежности машин при проектировании

свойств материала. Правку выполняют на прессах, в специальных приспособлениях и вручную.

Накаткой восстанавливают шейки валов с нарушенными размерами в месте посадки. Ее проводят острозубчатым роликом, создающим рифления с вытеснением металла и увеличением диаметра вала в месте накатки. Нужный размер обеспечивают механической обработкой.

Восстановление изношенных деталей является сложным процессом. В качестве заготовки используют изношенную, но уже сформированную деталь, поэтому отсутствуют затраты на выполнение литья, ковки, штамповки и других операций, но зато появляются дополнительные операции: мойка, разборка, дефектация, комплектация, – затраты на которые следует учитывать.

Износ различных групп дорожно-строительных машин и автотракторного оборудования находится в широких пределах – от 0,01 до 10 мм. При этом было установлено, что около 85% деталей имеют износ до 0,6 мм.

Износповерхностейдеталейраспределяетсяследующимобразом:

−цилиндрические – 52 %;

−нарушение геометрической формы – 13 %;

−резьбы – 10 %;

−трещины и изломы – 9 %;

−пазы, канавки – 5 %;

−шлицы – 3 %;

−конические, сферические поверхности – 3 %;

−зубья шестерен – 2 %;

−другие поверхности (плоские, профильные, фасонные) – 2 %. Номенклатура восстанавливаемых изделий насчитывает сотни

наименований. Для рациональной организации технологических процессов восстановления деталей и оценки их качества существует несколько классификаций деталей. Из них самой распространенной является классификация по конструктивно-технологическим признакам. К ним относятся вид материала, масса и размер детали, вид и величина износа, точность изготовления, общность дефектов и их сочетание, а также способы восстановления.

58

Рекомендуемая литература

1.Глазков В. Ф. Основы теории надежности, работоспособности и диагностики машин / В. Ф. Глазков, С. А. Евтюков; СПбГАСУ. – СПб., 2011. – 450 с.

2.Виноградова Т. В. Основы расчета соединения деталей машин : учеб.- метод. пособие / Т. В. Виноградова; ПГУПС. – СПб., 2011. – 47 с.

3.Ивашков И. И. Монтаж, эксплуатация и ремонт подъемно-транспорт- ных машин / И. И. Ивашков. – М. : Машиностроение, 1991. – 400 с.

4.Каракулев А. В. Ремонт строительных, путевых и погрузочно-разгру- зочных машин / А. В. Каракулев [и др.]. – М. : Транспорт, 1988. – 302 с.

5.Баловнев В. И. Дорожно-строительные машины и комплексы / В. И. Баловнев [и др.]. – М. : Машиностроение, 1988. – 384 с.

6.Гриневич Г. П. Надежность строительных машин / Г. П. Гриневич

[и др.]. – М. : Стройиздат, 1983. – 296 с.

7.Решетов Д. Н. Надежность машин / Д. Н. Решетов, А. С. Иванов, В. З. Фадеев. – М. : Высшая школа, 1988. – 238 с.

8.Волков Д. П. Надежность строительных машин и оборудования / Д. П. Волков, А. С. Николаев. – М. : Высшая школа, 1979. – 400 с.

59

ПРИЛОЖЕНИЕ

Контрольные работы по дисциплине «Надежность механических систем»

Задача № 1 Расчет вероятности отказа

Прибор может работать в двух режимах: 1 и 2. Режим 1 наблюдается в 80 % случаев, режим 2 – в 20 % случаев за время работы Т. Вероятность того, что прибор откажет при работе в режиме 1, равна Q1(Т), а вероятность отказа прибора в режиме 2 равна Q2(Т). Найти вероятность отказа прибора за время работы Т.

60