Причины нарушения работоспособности и снижения надежности машин

Содержание:

1. Причины нарушения работоспособности и снижения надежности машин.

2. Понятие сложной системы. Особенности сложной системы с позиций надежности.

Список использованной литературы

 

 

1. Причины нарушения работоспособности и снижения надежности машин.

 

На основе анализа закономерностей изнашивания деталей машин установлено, что характер износа подавляющего большинства деталей соответствует классической кривой износа (рисунок 1).

Имеется 3 характерных зоны на классической кривой – приработки ( I ), нормального изнашивания ( II ), аварийного изнашивания ( III).

В зонах I и III скорость износа повышается и происходит интенсивное изнашивание.  Зона II характеризуется стабилизацией скорости изнашивания (V = const) и при этом изнашивание детали незначительное, поэтому желательно эксплуатацию деталей совмещать с этой зоной.

 

 

Рисунок 1 - Закономерности изменения износа (И) и скорости износа (V) деталей машин во времени

Процесс изнашивания оценивают  по следующим показателям:

- по скорости изнашивания:

V_и = dИ / dt   [мкм / ч.] ,

где И - величина износа, мкм; t - время изнашивания (наработка), ч. (мото-ч., км и т.п.);

- по удельной интенсивности изнашивания:

I_н = V_д  / (n * d_ср * А_r) ,

где V_д - деформированный объем металла на фактической площади контакта, м³;

n - число циклов;

d_ср - средний диаметр элементарной зоны фактического контакта, м;

А_r - фактическая площадь контакта, м²;

- по интенсивности линейного изнашивания:

I_l = И / L  [мкм / м] ,

где L - путь трения, м.

Наряду с этими показателями часто используется еще один параметр – износостойкость.

Износостойкость - свойство материала сопротивляться изнашиванию. Это величина, обратная скорости изнашивания:

ИС = 1 / И     [ч. / мкм]. 

В практике исследования износостойкости  деталей наиболее часто применяют следующие методы:

-         микрометрирование,

-         взвешивание,

-         снятие профилограмм,

-         метод искусственных баз,

-         радиоизотопные методы (радиоактивные изотопы и индикаторы, нейтронная активация),

-         спектральный анализ.

Микрометрирование заключается в непосредственном измерении геометрических размеров объекта до и после изнашивания. Преимущества метода: простота и доступность, точность, возможность наблюдения динамики и поверхностей износа. Недостатки: длительность испытаний и большая трудоемкость, зависимость результатов от деформации детали, неизбежность сборки и разборки. 

 

Взвешивание заключается в измерении массы объекта до и после изнашивания.  Преимущества: точность измерения до 0,0001 г, простота - для мелких деталей. Недостатки: необходима разборка узлов, затруднено измерение линейного износа, требуется тщательная очистка. Снятие профилограмм заключается в исследовании микрорельефа поверхностей износа при помощи специальных приборов (профилографов). Преимущества: высокая точность измерений, возможность определения шероховатости и волнистости. Недостатки: большая трудоемкость из-за операций разборки-сборки, сложность снятия профилограмм, невозможность исследования деталей, подверженных пластической деформации. Метод искусственных баз основывается на измерении геометрических параметров отпечатка или лунки, специально нанесенных на поверхности детали.  Преимущества: возможность оценки износа детали без разборки и при продолжительном испытании, возможность применения его для определения износа деталей из мягких сплавов и соединений с высокими контактными напряжениями. Недостатки: трудоемкость в 1,5 раза больше, чем при микрометрировании, необходимость расчета износа.

При использовании лунок  износ определяется по формулам:

- для вала:

DИ = 0,125 * ( l₁² - l₂² ) * (l / r + l / R),

- для втулки:

DИ = 0,125 * ( l₁² - l₂² ) * (l / r - l / R),

де l₁ , l₂ - длина вырезанной лунки до и после испытания, м; r - радиус, который описывает резец при формировании лунки, м: R - радиус цилиндрической поверхности, м.

Радиоизотопные методы основаны на измерении радиоактивности поверхностей износа или продуктов износа. Различают метод радиоактивных изотопов (определение радиоактивности проб масла, в деталь вставляются радиоактивные изотопы - «свидетели») и метод радиоактивных индикаторов (измерение снижения радиоактивности исследуемых участков, где заранее был создан радиоактивный слой глубиной 0.5 – 0.4 мм).  Преимущества: не требует разборки, возможен непрерывный контроль, высокая чувствительностью и скоростью исследований. Недостатки: дорогостоящее оборудование, специальные меры зашиты, сложность процесса активации. 

Метод спектрального анализа заключается в определении продуктов износа в отработавшем масле. Преимущества: не требует разборки и специальной подготовки, кроме отключения фильтров, высокая чувствительность, возможность проследить динамику. Недостаток: позволяет определять только суммарное значение износа всех деталей.

Причины нарушения работоспособности машин  

В процессе эксплуатации машины подвергаются различным воздействиям и их технические характеристики изменяются. Можно выделить три группы источников воздействий:

- внешние, связанные с условиями работы, включая действия оператора, управляющего машиной и проводящего техническое обслуживание и ремонт;

- внутренние, связанные с рабочими процессами, протекающими в машине и агрегатах (в двигателе внутреннего сгорания):

- потенциальная энергия, возникающая в деталях машин при их изготовлении (различные внутренние напряжения).

Все источники воздействий, проявляющиеся в виде механической, тепловой, химической энергии, вызывают в деталях машин необратимые процессы и приводят к изменению конструктивных параметров. 

Основные факторы, вызывающие изменения конструктивных параметров:

- нагружение элементов;

-  взаимное перемещение элементов;

- воздействие тепловых,  электрических, магнитных и др. полей;

-  воздействие химически активных компонентов;

-    образование отложений (нагар, накипь и т.п.).

Последствия изменения конструктивных параметров (причины отказов):

-  изнашивание;

- пластическая деформация и механические повреждения;

-   усталостные повреждения;

- тепловые разрушения;

- коррозионные разрушения;

-  физическое старение: изменение физико-химических свойств материалов (намагниченности, электро- и теплопроводности, упругости, структуры материала и т.д.). 

Основные причины отказов  автомобилей в условиях рядовой  эксплуатации приведены в таблице 1.

Таблица 1 Распределение  причин отказов автомобилей при  пробеге 100 тыс. км

Причина отказа	Грузовой автомобиль	Автобус
1) Износ	40	37
2) Пластическая деформация и разрушения	26	29
в т.ч.  - обрыв, срыв, разрыв, срез	20	19
- вытягивание, изгиб, смятие	6	10
3) Усталостные разрушения	18	16
в т.ч.    - трещины	12	7
- поломки	5	8
- выкрашивание	1	1
4) Температурные разрушения	12	11
в т.ч. - перегорание, замыкание, подгорание	5	7
- прогорание	4	3
- закоксование	3	1
5) Прочие	4	7

 

 

 

 

Физическое старение машин — это изменение с течением времени свойств материалов, деталей, узлов машин под действием различных факторов (физических, химических и т.п.), приводящее к тому, что объект не может больше выполнять свои функции.

Физическое старение подразделяют на старение при эксплуатации и старение при хранении машин.

Моральным старением машин называют уменьшение их стоимости в связи с научно-техническим прогрессом. Оно может происходить в результате:

- снижения стоимости новых  машин той же конструкции;

- появления более совершенных  конструкций машин. 

Моральное старение оценивают критерием морального износа:

Им = [ ( Сп – Сост ) / Сп ] * 100,

где Сп -  первоначальная стоимость машины, руб.;

Сост - стоимость воспроизводства машин с учетом появления более совершенной конструкции и снижения ее стоимости, руб.

Классифицируют отказы машин  по ряду признаков:

1)  По причине появления (конструктивные, производственные (технологические), эксплуатационные). Конструктивный отказ   возникает в результате несовершенства конструкции объекта: при наличии ошибочных исходных данных для проектирования, ошибок при выборе кинематики механизмов, выполнении прочностных расчетов, неправильном назначении материала детали, технических требований на изготовление отдельных элементов и объекта в целом и т. д. Желательно мероприятия по устранению конструктивных отказов проводить на более ранних стадиях производства объекта (на этапе разработки конструкторской документации, испытания опытных образцов, изготовления установочной партии изделий в процессе серийного производства). 

 

Производственный отказ - отказ, возникающий в результате несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления или ремонта объекта.

Производственные отказы возникают в результате неправильного назначения технологических процессов изготовления или восстановления деталей и сборки объекта или служат следствием нарушения принятой технологии, а также неудовлетворительного качества материала деталей или наносимых на них покрытий, несовершенства технологических методов обработки деталей, применения недостаточно точных измерительных средств, невыполнения технических требований на изготовление и сборку элементов и объекта в целом. Например, для снижения вероятности поломки коленчатого вала двигателя А-41 завод-изготовитель ввел накатку галтелей шеек коленчатого вала.

Из общего числа рекламаций по отремонтированным двигателям СМД-62 на выплавление и проворачивание вкладышей коленчатого вала приходится 51,8 % и на его излом - 14 %. Причиной первого отказа считают неплоскостность торцов крышки, в результате которой не обеспечивается нормальный зазор в подшипнике, и плохое сцепление антифрикционного слоя с основным металлом. Причины второго отказа - уменьшение радиуса галтели при шлифовании, несоосность коренных опор, наличие трещин у входных отверстий масляных каналов. 

Эксплуатационный отказ - отказ, возникающий в результате нарушения установленных правил и (или) условий эксплуатации объекта.

Эксплуатационные отказы возникают вследствие использования объектов в условиях, для которых они не предназначались, нарушения правил эксплуатации (недопустимые перегрузки, невыполнение правил ТО, несвоевременное проведение регулировок, применение не соответствующих требованиям топливосмазочных материалов, несоблюдение правил транспортировки и хранения). Например, при грубых нарушениях режимов ТО элементов воздушного тракта двигателя КамАЗ-740 наработка до его отказа уменьшается более чем в 2,5 раза. Для полного износа шатунно-поршневой группы достаточно пропустить через систему питания воздухом 120... 150 г абразивной пыли.

2)     По степени влияния на работоспособность (полный, частичный). При полном отказе элементов исчерпывается их ресурс, поэтому ремонтируемые объекты после полного отказа подлежат капитальному ремонту (полному восстановлению ресурса). Эти отказы часто называют ресурсными. Частичные отказы не приводят к полному исчерпанию ресурса, работоспособность машины восстанавливается путем технического обслуживания или текущего ремонта. Эти отказы часто называют эксплуатационными.

 3) По характеру утраты работоспособности (внезапные, постепенные, перемежающиеся). Внезапный отказ - отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких заданных параметров объекта.

Внезапные отказы возникают  вследствие вполне определенных причин (усталостное разрушение деталей, поломка  деталей из-за внутренних дефектов или перегрузок, коробление деталей вследствие местных значительных перегревов и т. д.). Однако установить их заранее, как правило, не удается, и поэтому связанные с этими причинами отказы с точки зрения эксплуатации возникают неожиданно.

Характерные примеры внезапных отказов - аварийные поломки деталей, пробивание прокладки головки блока цилиндров, соскакивание цепей и т. д.

 Постепенный отказ возникает в результате постепенного изменения значений одного или нескольких заданных параметров объекта.

Главная причина постепенного отказа - естественное старение и изнашивание (увеличение зазоров, ослабление посадок). К характерным примерам постепенных отказов двигателя относят предельный износ деталей и соединений, повышенный расход масла, низкое давление в смазочной системе, снижение мощности и т. д.

При ТО и ремонтах принимают  меры, предупреждающие или увеличивающие  наработку до возникновения отказа путем регулировок, замены быстроизнашивающихся деталей и т.д. Например, при соблюдении рекомендуемого давления в шине, своевременной балансировке колес и регулировке их установки можно значительно увеличить наработку до отказа шины.