Основы теории надежности. Учебное пособие

Процессы

Основными процессами, вызывающими отказ, являются изнашивание, пластическая деформация, усталостное разрушение, коррозия, фи- зико-химические изменения материала деталей (табл. 1.1). В табл. 1.2 приведено объединение по группам повреждений и отказов автомобилей разных марок. В табл. 1.3 рассмотрено распределение отказов по агрегатам и системам автомобиля ВАЗ при пробеге 50 тыс. км и сроке эксплуатации 3…5 лет. Анализ таблицы показывает, что основные причины отказов – износ сопряжённых деталей и старение резиновых деталей.

1. Изнашивание. Изнашивание – это процесс разрушения поверхностных слоев трущихся тел, приводящий к уменьшению их размеров в направлении, перпендикулярном поверхности трения. Процесс изнашивания возникает под действием трения, зависящего от материала и качества обработки поверхностей, смазки, нагрузки, скорости относительного перемещения поверхностей и теплового режима работы сопряжения.

Таблица 1.1

Процентное распределение причин отказов для грузового автомобиля большой грузоподъёмности и автобуса среднего класса при пробеге 100 тыс. км

11

Таблица 1.2

Группы повреждений и отказов (%) автомобилей

Группы отказов: 1) повреждения усталостного характера (выкрашивание поверхностей, трещины, изломы и т. п.); 2) износ втулок, валов и т. д.; 3) повреждения резинотехнических изделий; 4) неисправности вследствие нарушения регулировок; 5) перетирание; 6) прогорание прокладок, газопроводов; 7) течь масла; 8) прочие неисправности

 Результат изнашивания, определяемый в установленных единицах (например, мкм/км), называется износом.

12

При постоянных условиях трения выделяют три стадии протекания изнашивания:

на первой стадии происходит приработка поверхностей контакта (разрушение наиболее «уязвимых» микронеровностей и образование «равновесной» шероховатости);

затем наступает период установившегося изнашивания (вторая стадия), характеризующийся минимальной интенсивностью изнашивания для заданных условий трения;

и, наконец, наступает третья стадия – катастрофический износ и резкое уменьшение размеров сечения детали.

Для количественного описания процесса изнашивания и его результата износа используют ряд показателей:

интенсивность изнашивания – отношение оценки износа детали

кпути трения, затраченной работе или технической наработке (например, в километрах пробега автомобиля); если в результате изнашивания при суммарном взаимном смещении деталей (пути трения) на величину L с ее поверхности удалён слой толщиной h, то интенсивность изнашивания

Jh hL ;

скорость изнашивания (средняя) – отношение оценки износа к времени, в течение которого происходило изнашивание;

предельный износ детали (узла) – оценка износа, после достиже-

ния которой дальнейшая эксплуатация детали (узла) невозможна, неэкономична или недопустима по соображениям надёжности.

Обычно в эксплуатации выделяют абразивное, усталостное, корро- зионно-эрозионное, окислительное, электроэрозионное, а также изнашивание при заедании, фретинге и фретинг-коррозии. Изнашивание абразивное, эрозионное, усталостное и при фретинге относится к механическому виду изнашивания, а окислительное и при фретингкоррозии – к коррозионно-механическому.

 Абразивное изнашивание является результатом срезания и пластического деформирования микронеровностей поверхностей контакта твёрдыми посторонними частицами при относительном перемещении сопряжённых поверхностей. Такие частицы, попадая извне в виде пыли и песка между трущимися деталями (например, тормозными накладками колодок и барабанами) или в смазочные материалы открытых узлов трения (шкворневые соединения, рессорные шарниры), резко увеличивают их износ. Удаление частиц с поверхности при изнаши-

13

вании происходит при однократном или многократном воздействии абразивного тела. В результате изнашивание происходит в форме процесса микрорезания либо в виде усталостного повреждения (малоциклового – при упругопластическом деформировании, собственно усталостного – при многоцикловом воздействии). Для уменьшения абразивного изнашивания снижают уровень абразивного воздействия, повышают поверхностную твёрдость материалов деталей (закалкой, поверхностным пластическим деформированием, напылением порошков карбидов).

Эрозионное изнашивание происходит в результате воздействия потока жидкости и (или) газа. Такому изнашиванию на автомобилях подвержены рабочие поверхности тарелок выпускных клапанов двигателя, жиклёры карбюратора.

Поверхностное усталостное изнашивание представляет собой изнашивание вращающихся или скользящих относительно друг друга криволинейных поверхностей. В результате действия циклических контактных напряжений на небольшой глубине у поверхности возникают микротрещины, их развитие приводит к отделению от поверхности детали частиц металла и появлению небольших ямок, раковин. Усталостное выкрашивание – питтинг (от англ. pit – яма, углубление) является распространённым видом повреждения рабочих поверхностей зубьев колес, подшипников и др. Для повышения сопротивления материала усталостному изнашиванию необходимо в первую очередь увеличивать твёрдость поверхностей контактирующих деталей.

Изнашивание при заедании происходит в результате схватыва-

ния, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности на другую и воздействия возникших неровностей на сопряжённую поверхность. Оно приводит к задирам, заклиниванию и разрушению механизмов. Такое изнашивание обусловливается наличием местных контактов между трущимися поверхностями, на которых вследствие больших нагрузок и скоростей происходят разрыв масляной плёнки, сильный нагрев и «сваривание» частиц металла. При дальнейшем относительном перемещении поверхностей происходит разрыв связей. Типичный пример – заклинивание коленчатого вала при недостаточной смазке. Наиболее эффективными средствами предотвращения заедания являются смазочные материалы, а также покрытия, окисные плёнки. Смазочный материал (смазки, масла и др.) уменьшает коэффициент трения и препятствует образованию металлического контакта и мостиков (точек) сварки.

14

Окислительное изнашивание происходит в результате сочетания механического изнашивания и агрессивного воздействия среды, под действием которой на поверхности трения образуются непрочные плёнки окислов, снимающиеся при механическом трении, а обнажающиеся поверхности опять окисляются. Такое изнашивание наблюдается на деталях цилиндропоршневой группы, гидроусилителей, тормозной системы с гидроприводом.

Изнашивание при фретинге – это механическое изнашивание соприкасающихся деталей при малых колебательных движениях (амплитуда от 0,025 до 2,5 мм). Фретинг обычно имеет место в местах соединений, там, где движения не должно быть, но в результате действия вибрационных нагрузок или деформаций незначительные циклические смещения всё-таки есть. Обычно отколовшиеся при фретинге частицы материала задерживаются между контактирующими поверхностями, поскольку относительные смещения их малы.

Если при этом трущиеся детали вступают в химическое взаимодействие со средой, например воздухом, то происходит изнашивание при фретинг-коррозии. Такое изнашивание наблюдается в местах контакта вкладыша шеек коленчатого вала и постели в картере и крышке. Для защиты от фретинг-коррозии используют различные методы поверхностного упрочнения зон контакта: наносят мягкие гальванические покрытия, напыляют тефлоновые и резиновые плёнки и т.п.

Электроэрозионное изнашивание проявляется в эрозионном изнашивании поверхности в результате воздействия разряда при прохождении электрического тока, например, между электродами свечи зажигания.

2.Пластическая деформация и хрупкое разрушение. Такие по-

вреждения связаны с достижением или превышением пределов текучести или пределов прочности соответственно у пластичных или хрупких материалов. Обычно эти виды повреждения являются следствием либо ошибки при расчетах, либо нарушений правил эксплуатации (перегрузки, неправильное управление автомобилем, дорожно-транс- портные происшествия и т. п.). Иногда этим повреждениям предшествует механическое изнашивание, приводящее к изменению геометрических размеров и снижению запасов прочности детали.

3.Усталостное разрушение. Этот вид разрушения возникает при циклическом приложении нагрузок, превышающих предел выносливости детали. Разрушение происходит путем зарождения и распростра-

15

нения трещины, которая после достижения некоторого критического размера становится неустойчивой и быстро увеличивается, вызывая разрушение. Нагрузки и деформации, при которых обычно происходит усталостное разрушение, намного ниже тех, которые приводят к разрушению в статических условиях. Как правило, усталостное разрушение наблюдается в экстремальных условиях эксплуатации автомобиля (длительные перегрузки, низкие или высокие температуры) у рессор, полуосей, рамы.

4.Коррозия. Это явление происходит вследствие агрессивного воздействия среды на детали, приводящего к окислению (ржавлению) металла и, как следствие, к уменьшению прочности и ухудшению внешнего вида. Активными агентами внешней среды, вызывающими коррозию, являются соль (посыпают дороги зимой), кислоты (содержатся в воде и почве), а также компоненты, входящие в состав отработавших газов автомобилей, и их химические соединения. Коррозия поражает детали кузова, кабины, рамы. Для деталей кузова, расположенных снизу, коррозия сопровождается абразивным изнашиванием в результате воздействия на поверхность при движении автомобиля абразивных частиц – песка, гравия. Сильно способствует коррозии сохранение влаги на металлических поверхностях, в том числе под слоем дорожной грязи, что особенно характерно для всякого рода скрытых полостей и ниш.

Коррозия способствует усталостному изнашиванию и разрушению, так как создает на поверхности металла концентраторы напряжения в виде коррозионных язв. Такой вид разрушений наблюдается, например, в местах сварки, крепления кронштейнов рессор.

5.Старение. Показатели технического состояния деталей и эксплуатационных материалов изменяются под действием внешней среды. Так, резинотехнические изделия теряют прочность и эластичность в результате окисления, термического воздействия (разогрев или охлаждение), химического воздействия масла, топлива и жидкостей, а также солнечной радиации и влажности.

В процессе эксплуатации свойства смазочных материалов и эксплуатируемых жидкостей ухудшаются в результате:

накопления в них продуктов износа,

изменения вязкости и потери свойств присадок.

16

Детали и материалы изменяются не только при их использовании, но и при хранении:

снижаются прочность и эластичностьрезинотехнических изделий;

у топлива, смазочных материалов и жидкостей наблюдаются процессы окисления, сопровождаемые выпадением осадка.

Условия эксплуатации

Различают следующие условия эксплуатации:

дорожные условия;

условия движения;

природно-климатические и сезонные условия;

транспортные условия (или условия перевозки).

 Дорожные условия определяют режим работы автомобиля. Они характеризуются:

технической категорией дороги (всего пять категорий),

видом и качеством дорожного покрытия, определяющих сопротивление движению автомобиля (табл. 1.4),

элементами дороги в плане и профиле (шириной дороги, радиусом закруглений, уклоном подъёмов и спусков).

Таблица 1.4

Влияние типа покрытия дороги на режим работы агрегатов автомобиля большой грузоподъёмности

17

Всвою очередь, режим работы автомобиля влияет на надёжность и другие свойства автомобиля и его агрегатов.

Втабл. 1.5 приведены данные по коэффициенту нагруженности некоторых агрегатов автомобиля, равному отношению нагрузок на агрегат в рассматриваемом режиме работы и при езде по междугороднему шоссе. Данные получены при испытаниях грузового автомобиля ЗИЛ-164 с полной нагрузкой. Из таблицы следует, что для сцепления и рулевого управления наиболее легкими являются условия эксплуатации при движении по междугородним дорогам с асфальтобетонным покрытием, а наиболее тяжелыми – при движении по улицам больших городов. Для деталей тормозной системы наиболее легкие условия эксплуатации соответствуют движению по грунтовым дорогам в равнинных местностях и наиболее тяжёлые – движению в карьере.

Таблица 1.5

Коэффициент нагруженности агрегатов автомобиля ЗИЛ-164

Коэффициент нагруженности

Воздействия неровностей дороги на автомобиль определяются микропрофилем дороги. Неровности дороги, не вызывающие колебаний подвески и гасящиеся в шине, в этом случае не принимаются во внимание. Практически колебания подвески вызываются дорожными неровностями, длина которых находится в пределах 0,2…50 м. Данные

18

НАМИ по пределам изменения среднего квадратического отклонения х микропрофиля дорог основных типов следующие:

булыжное в плохом состоянии……………………25,0…32,8

булыжное в удовлетворительном состоянии…….13,5…22,9

асфальтированное…………………………………. 8,0…12,6 цементобетонное…………………………………… 5,0…12,4

Дороги с цементобетонным покрытием имеют наиболее низкочастотный состав спектра микропрофиля и наибольшую длину неровностей волн. Дороги с булыжным покрытием в плохом состоянии характеризуются наиболее короткими волнами неровностей. Эти данные являются исходными для проведения расчетов амплитуд колебаний рессорного подвешивания и оценки динамических напряжений в раме. Износ и разрушение дорожного покрытия сокращают надёжность автомобиля на 14…33 %.

 Условия движения характеризуются влиянием внешних факторов на режим движения и, следовательно, на режим работы автомобиля и его агрегатов. Так, режимы работы грузовых автомобилей при интенсивном городском движении отличаются от режимов работы на загородных дорогах (при одинаковом покрытии) следующим образом:

скорость в 1-м случае больше на 50…52 %,

средняя частота вращения коленчатого вала в 1-м случае больше на 130…136 %,

число переключения передач в 1-м случае больше в 3…3,5 раза.

 Условия перевозки наряду со скоростью движения характеризуются:

длиной гружёной ездки l,

коэффициентом использования пробега ,

коэффициентом использования грузоподъёмности ,

коэффициентом использования прицепов Kпр,

родом перевозимого груза.

Оценка влияния наиболее важных параметров условий эксплуатации на эксплуатационную надёжность автомобилей приведена в табл. 1.6.

19

Таблица 1.6

Влияние дорожных и транспортных условий на эксплуатационную надёжность грузовых автомобилей, %

Обозначения к табл. 1.6: f – коэффициент сопротивления качению; i – среднее значение уклона дороги на маршруте; П – коэффициент помехонасыщенности маршрута (отношение скорости, развиваемой автомобилем на горизонтальном участке междугородной дороги первой категории, к средней скорости автомобиля на данном маршруте); остальные обозначения даны в тексте.

 Природно-климатические условия характеризуются температу-

рой окружающего воздуха, влажностью, ветровой нагрузкой, уровнем

ры окружающего воздуха t (°С) изменяется по кривой, имеющей минимум, соответствующий оптимальной температуре окружающего воздуха (рис. 1.1, по данным НИИАТ).

Соответственно и для каждого агрегата существует оптимальный

20