книги / Методы расчета ресурса работы элементов машин

тоспособности, но дает эффект лишь для тех изделий, которые мало загружены в процессе нормальной эксплуатации. Для машин с высокой загрузкой при эксплуатации и механизмов, работающих в течение основного времени цикла машины, указанный метод ускорения не пригоден.

Форсирование режимов испытания. Применение при испы-

тании более высоких нагрузок, скоростей, температур и других режимов работы изделия по сравнению с эксплуатационными интенсифицирует процессы повреждения и ускоряет наступление отказа.

Однако этот метод следует применять весьма осторожно, так как работа изделия при форсированных режимах может вызвать новые явления в процессах старения, не характерных для применяемых условий эксплуатации, и качественно изменить картину отказов.

Форсирование режимов допустимо лишь в пределах известного закона старения материала изделия.

Предельные значения факторов, ускоряющих процесс, должны выбираться исходя из условия сохранения физической природы отказа, т.е. так, чтобы вид и характер разрушения при нормальной эксплуатации и при работе на повышенных режимах были идентичны.

Например, при испытании изделий, которые выходят из строя в результате износа, для форсирования испытаний можно увеличивать нагрузку и скорость относительного скольжения.

Общепринятых универсальных методов ускоренных испытаний не существует, каждый из них выбирается исходя из специфики и особенностей конкретного технического объекта. В настоящее время наибольшее распространение получили следующие методы:

–линейного возрастания нагружения – используется при экс-

периментальных исследованиях объектов с постоянной скоростью деградационных процессов в нормальных условиях эксплуатации. Ускорение процессов достигается при линейном увеличении нагрузки во времени;

–экстраполяции – основан на использовании зависимости параметров распределения наработки от нагрузки. Метод предполагает проведение испытаний при нескольких повышенных уровнях на-

131

грузки и экстраполяцию их результатов для нормальных значений нагрузки;

–одноступенчатого нагружения «доламывания» – используется принцип суммирования повреждений. Объект после периода приработки сначала подвергается обычной нагрузке, а затем повышенной;

–интенсификации приработки – используется для ускорения экспериментальных исследований объектов с большим периодом приработки;

–эквивалентных испытаний – строится по принципу ускоренного исчерпания ресурса объекта на основании анализа зависимостей между нагрузкой и характеристиками надежности. Ускорение получения информации достигается за счет проведения испытаний

внаиболее тяжелых эксплуатационных режимах.

Форсированные ускоренные испытания можно рассматривать как разновидность физического моделирования, позволяющего оценить надежность при сжатом масштабе времени. Их возможность предопределена зависимостью надежности от величины внешних воздействующих факторов, при которых происходит эксплуатация объекта.

Нормальными называются условия, при которых ни один из воздействующих факторов не превосходит эксплуатационных норм, установленных в технических условиях. Тогда при ужесточенных (по сравнению с нормальными) условиях надежность снижается, и поток отказов (или объем статистики, необходимый для оценки) реализуется в меньшем масштабе времени, чем и достигается ускорение.

Для проведения форсированных испытаний необходимо располагать зависимостью между какой-либо характеристикой надежности и величиной внешнего фактора – базовой зависимостью. Базовая зависимость может быть получена только экспериментально, путем проведения специальных испытаний при различных значениях величины внешнего фактора. На основе базовой зависимости назначается рабочий режим ускоренных испытаний и определяется соответствующий ему коэффициент ускорения потока отказов. Через этот коэффициент может быть выполнен пересчет значения генерального

132

параметра надежности из испытательного режима в нормальные условия.

Ужесточение факторов внешней среды. Ужесточение факто-

ров внешней среды способствует существенному сокращению времени испытания. Так, насыщение абразивом среды, в которой происходит износ трущихся пар, применение более агрессивных сред при коррозионных испытаниях, наложение вибраций и другие воздействия существенно интенсифицируют процессы разрушения.

Ужесточение условий при испытании как материалов, так и изделий часто используют для ускорения получения необходимой информации, особенно о стойкости материалов. Например, при испытании материалов на абразивное изнашивание применяют подачу абразивной смеси в зону трения, что значительно ускоряет износ.

Создание условий, при которых процессы, приводящие к потере работоспособности, интенсифицируются, может еще в большей степени, чем повышение нагрузок и скоростей, исказить физическую картину отказа. Ввиду этого данным методом следует пользоваться лишь в тех случаях, когда известны закономерности, описывающие влияние отдельных факторов.

Повышение точности измерения выходных параметров. Для изделия может быть назначен условный допуск – предельно допус-

тимое значение выходного параметра Umax у Umax более строгое,

чем по ТУ. Так, при испытании станков на технологическую надежность вместо отказа станка из-за выхода параметра обрабатываемого изделия за пределы допуска фиксируется условный отказ, т.е. выход параметра за границы условного поля допуска.

Коэффициент ускорения в этом случае равен отношению до-

пуска к условному допуску у: Kу . При испытании изделие

у

доводится до того момента, когда можно определить скорость потери им работоспособности и другие параметры процесса старения.

Чем сложнее изделие, тем труднее применять методы форсирования испытаний и тем большую роль в оценке надежности играют в сочетании с натурными испытаниями методы прогнозирования и моделирования.

133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенной работы были проведены исследования методов расчета ресурса работы элементов машин.

1.Анализ имеющейся литературы по вопросам надежности показал, что, несмотря на кажущиеся полными исследования принципов формирования отказа и методов расчета ресурса работы при различных видах старения, возникают вопросы, без решения которых мы не можем получить окончательного выражения для срока службы с учетом всех параметров процесса старения.

Незаконченность исследований, проведенных различными авторами, объясняется тем, что при отсутствии необходимых вычислительных средств не было возможности рассмотреть сложные зависимости.

Кроме того, имеются некоторые разногласия между авторами

всвязи с пренебрежением факторами, которые могут оказывать значительное влияние на величину ресурса.

2.Рассмотрено влияние всех параметров на процесс старения и срок службы оборудования. Для этого была выведена расчетная зависимость для ресурса, учитывающая все действующие факторы: скорость процесса старения, среднеквадратичное отклонение скорости, начальные условия, среднеквадратичное отклонение начального параметра, квантиль нормального распределения (вероятность безотказной работы) и максимальное значение параметра, по которому происходит отказ.

3.В работах многих авторов даны результаты экспериментов, проведенных для оценки ресурса различного оборудования. Эти результаты заключают в себе значения параметров процесса изнашивания, что дает нам возможность их использовать для расчета ресурса по выведенной нами расчетной зависимости с помощью современной вычислительной техники.

Исходя из этого были произведены расчеты ресурса с использованием данных испытаний для шпиндельной бабки расточного

134

станка при ее поступательном перемещении и построены частные зависимости ресурса от различных факторов.

4.Все рассмотренные параметры оказывают влияние на ресурс,

ипренебрегать каким-либо из них не считаем возможным. Полученные зависимости носят различный характер, но с увеличением любого из параметров ресурс работы снижается. Наибольшее влияние оказывают скорость и начальные условия.

Однако следует отметить, что по полученной расчетной зависимости трудно оценить влияние отдельных факторов, их взаимовлияние и приоритетность.

5.Для более эффективного подхода к расчету разработана расчетная формула в виде степенной зависимости, учитывающая большинство из действующих факторов.

Используя данные испытаний по износу верхних горизонтальных граней направляющих токарно-револьверных автоматов, мы составили греко-латинский квадрат 5×5 для четырех факторов – квантиль, скорость, отклонение скорости и начальный параметр.

Расчеты на основе матрицы планирования позволили создать базу для вывода степенной зависимости и вычисления ресурса. Максимальная погрешность расчета по этой формуле составила 6 %.

6.По методике многофакторного численного эксперимента построены частные зависимости, которые сопоставлены с аналогичными зависимостями из аналитического расчета. При этом установлено, что зависимости носят аналогичный характер с теми, которые получены аналитически.

7.Рассмотрена возможность расчета ресурса работы при непостоянной скорости процесса старения. Данные практических исследований говорят о том, что существуют процессы износа, которые со временем затухают, т.е. с увеличением наработки скорость постепенно снижается.

Характер изменения износа аппроксимирован степенной зависимостью. Аналогично предыдущим расчетам получено выражение в виде степенной зависимости для расчета ресурса.

135

8.При исследовании нелинейной модели процесса старения установлено, что наибольшую значимость имеют закономерность процесса старения и связанная с этим скорость. Влияние других факторов оказалось примерно равным.

9.В ходе выполнения работы получены данные о возможности прогнозирования ресурса как для линейных (квазилинейных), так

идля нелинейных закономерностей процесса старения.

10.Выполненные исследования позволили выйти на новый уровень прогнозирования надежности, что придает особую значимость проделанной работе.

11.Рассмотренные подходы позволяют расширить область применения прогнозных расчетов ресурса, сделать их более достоверными для практических целей.

12.Комплекс выполненных исследований создает большой потенциал для работ, связанных с возможностью улучшения конструкций, технологий изготовления с целью достижения необходимых показателей надежности объектов.

136

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Белоусов В.В., Киселев В.В., Кулагина М.М. Надежность технических систем / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 1995. – 70 с.

2.Точность, надежность и производительность металлорежу-

щих станков / Г.Д. Григорьян, С.А. Зелинский, Г.А. Оборский

[и др.]. – Киев: Техника, 1991. – 221 с.

3.Животкевич И.Н., Смирнов А.П. Надежность технических изделий. – М.: Олита, 2003. – 473 с.

4.Кирдеев Ю.П., Корнилова А.В. Обеспечение надежности машин. – М.: СТАНКИН, 2002. – 140 с.

5.Кугель Р.В. Надежность машин массового производства. – М.: Машиностроение, 1981. – 244 с.

6.Кузьмин Ф.И. Задачи обеспечения надежности технических систем. – М.: Радио и связь, 1982. – 176 с.

7.Моргунов А.П. Технологическое обеспечение надежности

идолговечности в машиностроении. – Омск: Изд-во Ом. гос. техн.

ун-та, 2000. – 98 с.

8.Надежность и эффективность в технике: справ.: в 10 т. / под ред. В.С. Авдуевского [и др.]. – М.: Машиностроение, 1989. – Т. 6. – 374 с.

9.Надежность технических систем: справ. / под ред. И.А. Ушакова. – М.: Радио и связь, 1985. – 608 с.

10.Острейковский В.А. Теория надежности: учеб. для вузов. – М.: Высшая школа, 2003. – 463 с.

11.Половко А.М., Гуров С.В. Основы теории надежности: практикум. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 702 с.

12.Проблемы надежности и ресурса в машиностроении: сб. науч. тр. / под ред. К.В. Фролова, А.П. Гусенкова. – М.: Наука, 1988. – 248 с.

13.Проников А.С. Надежность машин. – М.: Машиностроение, 1978. – 592 с.

14.Проников А.С. Параметрическая надежность машин. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 560 с.

137

15.Решетов Д.Н., Иванов А.С., Фадеев В.З. Надежность машин: учеб. пособие. – М.: Высшая школа, 1988. – 240 с.

16.Сугак Е.В., Василенко Н.В. Надежность технических систем / НИИ СУВПТ. – Красноярск, 2001. – 608 с.

17.Технологическая надежность станков / под ред. А.С. Проникова. – М.: Машиностроение, 1971. – 342 с.

18.Труханов В.М. Надежность изделий машиностроения. – М.: Машиностроение, 1996. – 336 с.

19.Хазов Б.Ф., Дидусев Б.А. Справочник по расчету надежности машин на стадии проектирования. – М.: Машиностроение, 1986. – 224 с.

20.Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. – М.: Мир, 1972. – 382 с.

138

Учебное издание

СПИРИН Владимир Алексеевич, МАКАРОВ Владимир Федорович, МАЗЕИНА Ирина Николаевна, ХАЛТУРИН Олег Александрович

МЕТОДЫ РАСЧЕТА РЕСУРСА РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН

Учебное пособие

Редактор и корректор Е.Б. Денисова

Подписано в печать 1.10.18. Формат 60 90/16. Усл. печ. л. 8,75. Тираж 100 экз. Заказ № 205/2018.

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета.

Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.

Тел. (342) 219-80-33.