Надёжность / Все лекции по надёжности

–квалификация обслуживающего персонала;

–обученность обслуживающего персонала;

–организация и качество технического обслуживания и регламентных работ;

–методы и способы организации эксплуатации объектов;

–организация сбора и анализа сведений о надежности объектов. Особенно важное значение влияние субъективных факторов имеет для надежности сложных систем, таких как

«человек—техника».

Повышение эксплуатационной надежности, обусловленной влиянием на нее человека,

осуществляется в двух направлениях: 1) приспособления техники к психофизиологическим особенностям человека-оператора в процессе ее проектирования (рациональное расположение приборов, кнопок, рычагов, стрелок, индикаторов, выбор освещенности,

ограничение шума, учет требований к быстроте реакции человека, к объему его памяти и т.д.); 2) приспособления человека к техническим требованиям машины (отбор операторов,

тренировка и обучение их выполнению операций обслуживания).

Лекция 3

Понятие о старении и износе элементов и машин. Физические основы процессов изнашивания. Коррозионное разрушение деталей. Усталость и старение материалов.

1. Старение и износ элементов и машин.

Старением называют изменение свойств материалов деталей, протекающее самопроизвольно под действием температуры, влажности, давления и других параметров окружающей среды.

Изнашиванием называют процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Рис. 1. Классификация процессов, происходящих в машинах

Рис. 2. Классификация процессов по скорости протекания

Рис. 3. Примеры разрушения деталей машин

а — скол у валка прокатного стана; б - усталостная поломка вала; в - усталостная поломка зуба шестерни; г - трещина в обшивке самолета; д — разрушение трубопровода гидросистемы; е - разрушение стенки кожуха камеры сгорания реактивного двигателя

Изнашивание

Изнашиванием называют процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении,

проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Основными количественными характеристиками изнашивания являются: величина

износа, скорость изнашивания, интенсивность изнашивания.

Скорость изнашивания γ (м/ч, r/ч, м3/ч) — отношение значения износа U к

интервалу наработки t, в течение которой он возник:

=

Интенсивность изнашивания I — отношение значения износа к обусловленному пути L, на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы:

I=U/L

Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения называется износостойкость

Рис.4. Графики закономерностей изменения

•а—износа; б—скорости изнашивания; в—интенсивность отказов; д—затрат на

устранение отказов

Рис.5. Классификация процессов изнашивания

По характеру промежуточной среды различают изнашивание:

•при трении без смазочного материала,

•при трении со смазочным материалом,

•при трении в абразивной среде.

Рис.6. Микрогеометрия поверхности а — топография поверхности; б — параметры поверхностного слоя; в — кривая опорной

поверхности; 1 — продольная шероховатость; 2 — поперечная шероховатость; 3 - трещина; 4

— скол; х—х — произвольное сечение

Механическое изнашивание возникает в результате механического взаимодействия поверхностей трения.

Коррозионно-механическим называют изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрохимическим взаимодействием материала со средой.

Электроэрозионным называют изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

Абразивным называют механическое изнашивание материала в результате в основном режущего или царапающего действия на него твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии.

Изнашивание при заедании происходит в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность.

Рис.7 Виды деформаций, разрушений и износов

Абразивный износ

Основным источником попадания абразива в сопряжения машин является окружающая среда. В 1 м 3 воздуха содержится от 0,04 до 5 г пыли, на 60—80 % состоящей из взвешенных частиц минералов. Размеры подавляющего большинства частиц находятся в

пределах от 5 до 120 мкм, т. е. соизмеримы с зазорами в сопряжениях дорожных машин.

Основными составляющими пыли являются: двуокись кремния SiO2, окись железа Fе2О3, со-

единения Са, Аl, Mg, Na и других элементов.

Частицы минералов, содержащиеся в воздухе, обладают высокой твердостью. Так,

твердость частиц окиси кремния SiO2 достигает 10780...11700 МПа, а окиси алюминия—

20900...22900 МПа, что превышает твердость рабочих поверхностей большинства деталей дорожных машин.

При трении со смазочным материалом попадание абразива в зону трения приводит к нарушению защитного слоя мазки и повреждению поверхностей деталей.

Абразивную износостойкость поверхности повышают путем упрочнения материала методами химико-термической, лазерной или плазменной обработки, а также с помощью различных покрытий повышенной твердости.

Эффективным методом защиты деталей дорожных машин от абразивного изнашивания является герметизация сопряжений с помощью современных уплотнительных элементов, обеспечение чистоты применяемых в машинах топлив, смазочных материалов и рабочих жидкостей.

Усталостный износ

Усталостным называется механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя.

Изнашивание происходит вследствие усталости микрообъемов материала,

возникающей под действием многократных сжимающих и растягивающих напряжений, не превышающих критических значений. В результате циклического воздействия нагрузки на поверхности детали возникают усталостные микротрещины, которые, постепенно смыкаясь,

приводят к образованию частиц износа и осповидного выкрашивания рабочих поверхностей деталей (питтинг). Это явление получило название фрикционно-контактной усталости.

Рис.8 Строение поверхностного слоя

а – изменение твердости Н по глубине слоя; б – структура поверхностного слоя; в –

изменение температуры по глубине при резании или трении.

Внутренние напряжения в материале деталей возникают не только под действием нагрузки, но и по ряду других причин. При изготовлении детали возникают остаточные внутренние напряжения. В зависимости от причины возникновения различают литейные,

сварочные, закалочные, шлифовочные и другие остаточные напряжения, являющиеся следствием технологических операций.

Усталостное разрушение материала подразделяется на три стадии:

I — в результате действия циклических напряжений, не превышающих предела упругости, в металле происходит накопление упругих искажений кристаллической решетки;

II — упругие напряжения кристаллической решетки, накопившиеся за определенное число циклов нагружения, достигают критического значения и вызывают развитие в материале субмикроскопических усталостных трещин;

III — субмикроскопические трещины достигают размеров микротрещин, и

происходит окончательное разрушение детали.

Линия ABC — кривая выносливости (кривая Велера), построенная в полулогарифмических координатах, характеризует зависимость между напряжением и чис-

лом циклов до разрушения материала.

Линия А'С — кривая Френча, или линия необратимой повреждаемости,— определяет начало области перехода субмикроскопических трещин в микротрещины.

Линия А'В'С' — определяет условия начала появления субмикроскопических трещин.

Рис.9. Обобщенная диаграмма усталости

Оценка усталостной долговечности. Усталостную долговечность деталей характеризуют с помощью числа циклов ее нагружения до разрушения Nц[0]:

Nц=k(σ-σв)-m,

где k и m — величины, зависящие от физико-механических свойств материала,

конструкции детали и режима нагружения; σ — внутренние напряжения, возникающие в процессе нагружения; σв — предел выносливости материала.

Отказы машин, вызванные усталостным разрушением материала, не всегда связаны с поломкой деталей.

Коррозионный износ

Химическая коррозия — разрушение материала детали в результате химического воздействия окружающей среды.

Интенсивность химического коррозионного разрушения зависит от химической активности среды, коррозионной стойкости материалов деталей, а также от температуры среды.

Таблица 1.

Классификация видов коррозии

Механизм взаимодействия материала со

Химическая, электрохимическая

средой

Атмосферная, газовая, жидкостная, подземная

Характер коррозионной среды

(почвенная), биокоррозия

Структурная, контактная, щелевая, коррозия под

Условия протекания коррозионного

напряжением, фреттинг-коррозия, коррозионная

процесса

кавитация

Вид коррозионного разрушения

Сплошная, местная (локальная)

поверхности детали

Виды коррозии

Электрохимическая коррозия возникает в результате воздействия на материал детали электропроводной среды — электролита. В качестве электролита могут выступать вода или водные растворы кислот и щелочей, образующиеся в результате взаимодействия воды с топливом, маслом или продуктами окисления. При электрохимической коррозии разрушение металла связано с возникновением и перетеканием электрического тока с одних участков поверхности на другие.

Атмосферная коррозия — процесс постепенного разрушения металлов под действием атмосферного воздуха, а также содержащихся в нем твердых частиц, влаги и газов.

Газовая коррозия происходит при отсутствии пленок влаги на поверхности металлов.

Жидкостная коррозия металлов протекает в жидкой среде: неэлектропроводных маслах и топливах, не являющихся электролитами, или в кислотных, щелочных, водных электролитических растворах.

Фреттинг-коррозия — разрушение поверхностей деталей с очень малыми относительными перемещениями в сочетании с высокими динамическими нагрузками в условиях окисления и схватывания. Характерен для элементов крепления (например,

болтовых соединений), рессор, а также неразъемных соединений.

Кавитационный износ