Лекция_Теория надежности

S

Предельное значение

Sп

Допустимое значение

Отказ

Рис. 19.1. Определение понятий номинальное, допустимое, предельное значения параметра:

I – работоспособное и исправное состояние; II – предотказное (работоспособное, но неисправное) состояние; III – неработоспособное (соответственно, неисправное) состояние

Таким образом, отказ характеризуется тем, что структурные параметры агрегата (узла) достигли предельных, заранее установленных значений, при которых дальнейшая эксплуатация машины невозможна из-за потери работоспособности или неэффективна (значительное снижение мощности ДВС, большие потери мощности в агрегатах трансмиссии при передаче крутящего момента от двигателя к рабочему оборудованию). Соответственно отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта (машины).

Наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновление после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние называется техническим ресурсом (ресурсом).

Процессы, вызывающие потерю работоспособности машин

При эксплуатации машин процессы, вызывающие повреждения и разрушения деталей, именуют вредными. Повреждение детали - это частичная потеря ею служебных свойств. Разрушение - это всякий

11

протекающий в материале или на его поверхности процесс, приводящий к невозможности выполнения деталью заданных функций.

К вредным процессам относятся: изнашивание рабочих поверхностей деталей вследствие трения, разрушение и повреждение деталей под действием различных нагрузок (пластическое деформирование, излом, усталость металла, тепловое и электроэрозионное разрушение), под действием химически активных сред (химическая и электрохимическая коррозия), потеря служебных свойств детали (размагничивание, потеря упругости).

По скорости протекания вредные процессы А. С. Проников разделяет на три группы: быстропротекающие, средней скорости и медленные. К быстропротекающим процессам относятся колебания рабочих нагрузок, вибрации узлов, изменение сил трения в подвижных соединениях. Периодичность изменения быстропротекающих процессов может измеряться долями секунды. К процессам средней скорости, измеряемым минутами и часами, относятся климатические условия эксплуатации (температура окружающей среды, влажность). К медленным процессам, измеряемым сутками и месяцами, относятся изнашивание деталей, коррозия, усталость металла.

Полностью ликвидировать вредные процессы нельзя. Замедлить их протекание можно путем проведения технического обслуживания и текущих ремонтов, что обеспечивает поддержание машины в работоспособном состоянии.

Наибольшее количество неисправностей (отказов) возникает из-за износовых и коррозионных явлений (рис.19.3) на рабочих поверхностях деталей машины. При этом отказ происходит не сразу, а после того, как величина износа или коррозии достигает критической величины, то есть при достижении предельного состояния машины или ее элементов. Износовые и коррозионные процессы проявляются в виде трех групп изменений:

-изменения геометрических размеров и форм поверхностей деталей;

-смещение поверхностей деталей относительно друг друга (прогиб, нарушение перпендикулярности, соосности, параллельности);

-изменение физико-механических свойств материала детали (потеря твердости, упругости, выкрашивание цементационного слоя, появление трещин).

Названные изменения в деталях, достигая предельного значения, определяют момент исчерпания ресурса сборочной единицы, машины, или момент предельного состояния. Таким образом, основной причиной старения является изнашивание в широком смысле этого понятия.

Кроме изнашивания при эксплуатации машин наблюдаются другие вредные процессы. К ним относятся: усталостное разрушение, химикотепловые повреждения, электро-эрозионное разрушение, изменение с

12

течением времени свойств материала деталей, механические повреждения. Усталостное разрушение. Усталостью металла называется процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к уменьшению

долговечности, образованию трещин и разрушению детали. Усталостному разрушению подвержены торсионы, пружины,

коленчатые валы двигателей, валы реверса лебедок, вертикальные валы механизма поворота экскаватора, зубчатые колеса и другие детали, воспринимающие значительную знакопеременную нагрузку.

Химико-тепловые повреждения. К этой группе повреждений относятся коррозия, образование накипи, нагара, осадков, коробление.

Коррозия. Коррозией называется разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. Коррозии особенно подвержены детали двигателей внутреннего сгорания (днища поршней, верхняя часть гильз цилиндров, головки цилиндров, выпускные клапаны, глушители).

Химическая коррозия возникает под воздействием на металл внешней среды. Окисление происходит в результате проникновения атомов кислорода в кристаллическую решетку металла с образованием оксидов железа FеО, Fе2 О3 , Fе3 О4 . С ростом температуры окружающей среды интенсивность химической коррозии возрастает. Например, выпускные клапаны и седла клапанов двигателей находятся под воздействием газов при температуре 650 - 800 0 С. Для повышения коррозионной стойкости выпускные клапаны изготовляют из жаропрочных сталей и наплавляют спла-вами на хромоникелевой основе ВХН-1. Седла клапанов и вставки для верхней части цилиндров изготовляют из высокопрочного легированного чугуна.

Электрохимическая коррозия металлов происходит под воздействием электролита в виде тонких слоев атмосферной влаги с растворенными в ней газами либо в виде водных растворов щелочей, кислот и солей, находящихся на поверхности металла. Эти электролиты обладают иными потенциалами, чем металл детали, вследствие чего возникают микрогальванические пары, вызывающие коррозию. Наиболее распространена электрохимическая коррозия таких деталей, как кузова и рамы машин.

Процессы коррозии в ряде случаев комбинируются с процессом абразивного истирания, с кавитационным разрушением материала (коррозионная кавитация). При одновременном действии коррозии и длительных знакопеременных нагрузок возникает коррозионноусталостное разрушение детали, а при сопряжении двух деталей, имеющих различные потенциалы в среде электролита, возникает контактная коррозия.

Для защиты деталей и узлов машин от действия коррозии применяют

13

различные методы, которые можно разделить на три группы: методы повышения коррозионной стойкости металлов; методы устранения отрицательного воздействия агрессивных факторав внешней среды; комбинированные методы. Наибольшее распространение получили:

-из методов первой группы - нанесение защитных покрытий; легирование металлов;

-из методов второй группы - герметизация сопряжений, устранения зазоров; введение в состав смазочных материалов противокоррозионных присадок.

В настоящее время при производстве дорожно-строительных машин применяют более 15 видов покрытий: цинкование, анодирование, фосфатирование, хромирование различных видов. Широко используют многослойные гальванопокрытия: медь - силникель - хром и медь - триникель - хром, блестящее цинкование, кадмирование.

Большую роль в защите дорожно-строительных машин от коррозии играют различные лакокрасочные покрытия. Их применяют как защитнодекоративные, и они особенно эффективны в качестве внешнего слоя в комбинированных покрытиях. Защитные свойства лакокрасочных покрытий зависят от оплошности и плотности слоя, изолирующего поверхность металла от окружающей среды, а также от прочности связи покрытия с поверхностью металла. Для повышения прочности связи покрытия с металлом очень важно правильно предварительно обработать поверхность: тщательно очистить, обезжирить прошпатлевать и покрыть грунтом.

Конструктивные меры, а также специальные защитные покрытия лишь снижают интенсивность развития коррозии, но не предотвращают ее полностью. Поэтому при эксплуатации машин необходимо периодически удалять продукты коррозии, следить за состоянием защитных покрытий, уплотнительных элементов и смазочных материалов.

Образование накипи. В системе охлаждения двигателей, а также в емкостях для подогрева воды образуется накипь в результате осаждения из воды солей кальция и магния (СаСО3 , СаSО4 , МgСО3 , МgSО4 ), а также

механических примесей, содержащихся в воде. Образование накипи ухудшает условия охлаждения двигателя, что приводит к его перегреву, ухудшению условий смазки и, как следствие, к повышенному износу деталей.

Нагар - твердые углеродистые вещества, откладывающиеся на рабочих поверхностях деталей двигателей (клапаны, свечи зажигания, сопла форсунок, поршни, головки цилиндров) при сгорании паров топлива и масла. В результате образования нагара ухудшаются условия теплопередачи, падает мощность двигателя, повышается склонность двигателя к перегреву.

Осадки в виде мазеобразной массы образуются на стенках картеров

14

двигателей и на деталях, расположенных в картерах, масляных фильтрах и в маслопроводах. Компонентами этих осадков являются масло, топливо, продукты окисления масла и топлива, продукты изнашивания деталей, пыль и др. Осадки ухудшают работу масляных фильтров, засоряют каналы для подачи смазки в зоны трения, затрудняют работу масляных насосов, загрязняют свежее масло, заливаемое в картер двигателя.

Коробление деталей происходит в результате действия высоких температур, приводящих к появлению в деталях больших внутренних напряжений. Такие повреждения характерны, например, для головок блока цилиндров двигателей внутреннего сгорания.

Электроэрозионное разрушение - процесс разрушения металла в результате воздействия на него искрового разряда. Электроэрозии подвержены контакты прерывателей, электроды свечей зажигания, щетки и коллекторы генераторов, стартеров, контакты реле-регуляторов.

Деформации деталей. Деформации деталей возникают: при больших давлениях на поверхности деталей; при больших нагрузках, вызывающих напряжения, которые являются для данного материала предельно допустимыми или близкими к ним. В первом случае появляется смятие поверхностей, во втором - скручивание, изгиб.

Смятие поверхностей характерно для деталей, работающих в условиях больших ударных нагрузок при отсутствии относительного смещения поверхностей деталей ( например, деформации зубьев муфт полужесткого соединения элементов силовой передачи, смятие шлицев балансиров и торсионов ходовой части, шпонок). В начальный период работы деталей зазоры и динамические нагрузки небольшие. Пластическая деформация поверхностей происходит постепенно и сопровождается лишь некоторым уплотнением поверхностных слоев. С увеличением зазоров и, следовательно, динамических нагрузок начинается течение материала, появляются трещины и сколы. Смятию подвержены также резьбовые соединения, опорные поверхности двигателей и рам экскаваторов, бульдозеров.

Под воздействием нагрузок в материале детали могут возникнуть напряжения, превосходящие предел его упругости. В результате этого возникает пластическое деформирование материала, приводящее к изменению формы и размеров детали, называемое остаточной деформацией. Остаточная деформация проявляется в виде изгибов, скручиваний, изменения положения посадочных поверхностей в корпусной детали.

Изгибу подвержены валы силовых передач, рамы машин, детали из листового материала, пружины, рессоры.

Скручивание деталей (валов, полуосей) возникает от действия крутящего момента, превосходящего расчетный в результате временной перегрузки узла.

15

При напряжениях, превосходящих предел прочности или выносливости металла может возникать не только повреждение, но и разрушение детали. Оно проявляется либо в виде полного разрушения детали, называемого изломом, либо в виде трещин и выкрашиваний.

Изломы могут быть вызваны статическим или динамическим напряжением деталей, либо появиться в результате усталости металла (усталостные изломы).

Трещины появляются в деталях трещин в результате различных вредных процессов. Все эти процессы могут быть разделены на три группы. К первой группе относятся воздействия внезапных значительных местных перенапряжений и ударов. Например, появление трещин в наиболее нагруженных участках рам, в корпусных деталях и в деталях, изготовленных из листового материала, а также появление трещин в стенках блока цилиндров двигателей и в радиаторах при замерзании охлаждающей жидкости. Ко второй группе относятся усталостные трещины, возникающие в результате воздействия длительных знакопеременных нагрузок. К третьей группе - трещины теплового происхождения (например, появление трещин в перемычках гнезд клапанов головок блока цилиндров двигателей).

Выкрашивание обычно происходит в результате возникновения усталости металла, а также под действием значительной ударной нагрузки (например, выкрашивание на рабочих поверхностях подшипников качения, на вкладышах подшипников скольжения, выкрашивание зубьев шестерен коробок передач в результате неправильного переключения).

16