книги / Надежность и диагностика технологических систем

Формирование показателей надежности машин происходит по общим законам, что является основой для оценки и прогнози­ рования надежности производственных (технологических) систем.

Наука о надежности изучает закономерности изменения пока­ зателей качества технических устройств и систем и на основании этого разрабатывает методы, обеспечивающие необходимую про­ должительность и безотказность работы с наименьшей затратой времени и средств.

Контрольные вопросы

1.Что такое технологические системы металлообработки? Определите их структуру и основные элементы.

2.Что такое надежность и какое сочетание свойств она охватывает?

3.Проанализируйте виды состояний объекта и их особенности.

4.Охарактеризуйте виды отказов и их специфику.

5.Назовите возможные последствия отказов. Приведите примеры.

6.В чем заключаются четыре специфических аспекта надежности?

7.Проанализируйте динамику автоматизации производства и повыше­ ния уровня надежности.

8.Как зависит надежность ГПС от ее организационной структуры?

9. Какие основные показатели используют для оценки качества про­ дукции?

сти. Более того, сами детали машины выполняются с различными допусками на многие параметры. Однако знание физических за­ кономерностей процессов повреждений в корне изменяет возмож­ ности точной (достоверной) оценки хода процесса по сравнению с теми методами, когда этот процесс оценивается только на основе статистических (формальных) наблюдений. Функциональные за­ висимости и математическое описание хотя и представляют эти процессы на некотором уровне абстрагирования, однако позво­ ляют предсказать (просчитать, спрогнозировать) ход процессов при различных ситуациях, чего нельзя сделать на основе только ста­ тистических наблюдений. Поэтому знание закономерностей из­ менения свойств материалов в условиях их эксплуатации явля­ ется основой оценки надежности машин. Полученные законо­ мерности и методы расчетов применяют на различных стадиях создания, испытаний и эксплуатации машин при решении во­ просов надежности и повышения эффективности новой техники. Важно также знать закономерности изменения выходных пара­ метров машины и ее элементов во времени. Современная наука позволяет изучать закономерности изменения свойств и состоя­ ния материалов на трех у р о в н я х .

1. Субмикроскопическом — уровне строения атомов и моле­ кул. Выявленные на этом уровне закономерности, как правило, являются основой для дальнейших исследований и разработок, в частности для решения основных задач прочности и долговеч­ ности материалов.

2. Микроскопическом — уровне анализа процессов, происхо­ дящих в небольшой (локализованной) области. Полученные зако­ номерности затем распространяются на весь объем тела. Класси­ ческим примером в этом отношении может служить использова­ ние теории напряжений и деформаций в идеальном однородном теле, когда в точке тела выделяется бесконечно малый элемент в виде параллелепипеда и рассматривается его напряженное со­ стояние.

Связь между деформациями и напряжениями описывает за­ кон Гука. Рассмотрение закономерностей на уровне микрокар­ тины явлений — необходимый и важный этап для дальнейшего распространения полученных зависимостей на весь объем твер­ дого тела, т.е. на всю деталь или ее поверхность.

3. Макроскопическом — уровне изменения начальных свойств или состояния материала всего тела (детали). Так, теория упругости

на основе закона Гука рассматривает деформации и напряжения в системах и деталях различной конфигурации, работающих на растяжение, кручение, изгиб и другие виды деформаций.

Физические законы и полученные на их основе частные зави­ симости, описывающие изменение свойств и состояния материа­ лов (рис. 2.1), можно разделить на две основные группы — законы состояния и законы старения.

Рис. 2.1. Влияние законов изменения свойств и состояния материалов на работоспособность изделий

Законы состояния — это закономерности, описывающие взаи­ мосвязи обратимых процессов, когда после прекращения дейст­ вия внешних факторов материал (а значит, и деталь) возвращается в исходное состояние.

Законы состояния подразделяют на статические, когда в функ­ циональную зависимость, описывающую связь между входными и выходными параметрами, не входит фактор времени, и переход­ ные процессы, где учитывается изменение выходных параметров во времени. Типичными примерами статических законов состоя­ ния может служить закон Гука и закон теплового расширения твердых тел.

Например, для простейшего случая определения деформа­ ции АI однородного стержня длиной I (разогретого до избыточ­ ной температуры 0 и при его растяжении силой Р) на основании упомянутых законов получим

EF

где Е — модуль упругости; а — коэффициент линейного расши­ рения материала; F — площадь поперечного сечения стержня.

При снятии внешних воздействий (температуры, нагрузки) стержень возвратится в исходное состояние (А/ = 0). Если стер­ жень является элементом конструкции, то его деформация не должна превосходить максимально допустимое значение, т.е. А1 < Л/Шах.

Статические законы, описывающие изменение состояния из­ делия, хотя и не включают фактор времени, могут быть исполь­ зованы для расчетов надежности. Например, если из-за повышен­ ного износа отдельных сопряжений машины в ней с течением времени повышается тепловыделение 0 и растут нагрузки Р в отдельных звеньях, то соответственно будет изменяться и де­ формация Al(t), которую можно найти по формуле (2.2). Однако эта формула не выявляет причин изменения работоспособности изделия, которые скрыты в зависимостях Р и 0 от времени.

Законы состояния, описывающие переходные процессы (на­ пример, колебания упругих систем), включают фактор времени, но также не учитывают изменения, происходящие при эксплуата­ ции машин. Эти законы можно использовать для решения задач надежности лишь при известном изменении уровня внешних воздействий.

Законы старения — это закономерности, которые описывают необратимые процессы и, следовательно, позволяют оценить те изменения начальных свойств материалов, которые происходят или могут происходить в процессе эксплуатации изделия. Ука­ занные закономерности могут быть использованы для оценки потери работоспособности машины.

Законы старения раскрывают физическую сущность необрати­ мых изменений, происходящих в материалах изделия, и имеют принципиальное значение при оценке потери изделием работо­ способности. Хотя законы старения всегда связаны с фактором времени, в некоторых из них он непосредственно не фигурирует, так как в полученных зависимостях существуют связи с другими факторами (например, с энергией), которые проявляются уже во времени. Такие зависимости будем называть законами пре­ вращения (см. рис. 2.1). Примерами законов превращения мо­ гут служить зависимости, описывающие процессы коррозии.

Законы старения, оценивающие степень повреждения мате­ риала в функции времени, являются основой для решения задач надежности. Они позволяют прогнозировать ход процесса старе­ ния, оценивать возможные-его реализации и выявлять наиболее

56 2. Физические основы теории надежности

существенные факторы, влияющие на интенсивность процесса. Типичными примерами таких зависимостей являются законы износа материалов. На основе раскрытия физической картины взаимодействия поверхностей эти законы дают методы для рас­ чета величины износа в функции времени.

Для оценки видов повреждений материала деталей машин необходимо установить область существования процесса старе­ ния и в первую очередь — условия его возникновения, для чего должен быть превзойден определенный уровень нагрузок, ско­ ростей, температур или других параметров. Начальный уровень (или порог чувствительности) особенно важно знать для быстропротекающих процессов старения, когда после возникновения процесса идет его интенсивное лавинообразное развитие. Часто порог чувствительности связывают с некоторым энергетическим уровнем (барьером), который определяет начало данного процесса. Типичными примерами наличия энергетического барьера явля­ ются схватывание металлов и развитие трещин.

При схватывании двух контактирующих поверхностей проис­ ходит образование металлических связей и объединение кристал­ лических решеток как следствие совместного пластического дефор­ мирования материалов. При трении деталей машин этот процесс мгновенно приводит к резкому изменению условий трения, что может вызывать заедание и отказ данной пары.

Классификация процессов старения. Процессом старения называется необратимое изменение свойств или состояния ма­ териала изделия в результате действия различных факторов. Старение происходит в результате действия необратимых про­ цессов — износа, усталости, коррозии, структурных изменений материала и др., которые приводят к повреждениям, ухудш аю ­ щим начальные параметры изделия.

По внешнему проявлению процесса старения (деформациям детали, ее износу, изменению свойств) можно судить о степени повреждения материала детали и оценить близость изделия к пре­ дельному состоянию (табл. 2.1). Наиболее часто процессы старения протекают в поверхностных слоях деталей. При этом поверхность детали может подвергаться температурным, химическим, меха­ ническим и иным воздействиям. В результате коррозии, эрозии, кавитации и других процессов начнется разъедание поверхности. На поверхности могут протекать и такие процессы, как адгезия,

58 2. Физические основы теории надежности

Кроме того, может произойти изменение прочности и других па­ раметров. Тело детали может подвергаться разрушению (наибо­ лее опасное проявление процессов старения) или деформировать­ ся. Разрушение детали (излом) относится к недопустимым видам повреждений. Поломка деталей в результате разрушения часто носит лавинообразный характер и протекает с большой скоро­ стью . Поэтому расчеты на прочность оценивают не скорость процесса разрушения, а те условия, нагрузки и параметры, при которых разрушение не произойдет.

Основные причины разрушения материала детали — недопус­ тимые статические или динамические нагрузки, а также длитель­ ное действие переменных нагрузок, приводящих к усталостным разрушениям, которые относятся к постепенным отказам.

Процессы старения, протекающие при контакте поверхно­ стей. У машин процессы старения возникают при контакте двух поверхностей, особенно если имеет место их относительное пе­ ремещение. Это приводит к износу поверхностей. Износ — это результат процесса постепенного изменения размеров детали по ее поверхности при трении. Если речь идет о процессе разруше­ ния поверхности, то применяют термин «изнашивание» . Изна­ шиваются движущиеся элементы станков: направляющие сколь­ жения и качения; подшипники; поверхности трения фрикцион­ ных муфт и тормозов; зубчатые, винтовые и червячные передачи; кулачковые и кулисные механизмы; оси, шарниры и другие де­ тали. Износ приводит не только к истиранию поверхностей, но также к смятию и усталости поверхностных слоев. Основные виды износа связаны главным образом с характером контакта поверхностей и их относительного движения (давления Р, ско­ рости V, угловой скорости со, угловых скоростей пары зубчатых колес ©j и со2 и др.; табл. 2.2).

Каждому виду взаимодействия поверхностей соответствует наиболее характерный вид повреждения. Если нет относитель­ ного перемещения поверхностей, то это вызывает их смятие (пластическую деформацию). Это характерный вид разрушения шпоночных, зубчатых (шлицевых) соединений, упоров, штиф­ тов, осей цепных передач, резьбовых соединений и других дета­ лей. При очень малых относительных перемещениях сопряжен­ ных деталей (при осциллирующих движениях) возникает специ­ фический вид износа, который называют фреттинг-коррозия.

При качении без скольжения (обкатке) двух тел возникает усталость поверхностных слоев, которая проявляется в виде от­ слаивания мелких частиц металла с поверхности контакта (напри­ мер, у подшипников качения, роликов кулачковых механизмов), а при недостаточной твердости материала и больших удельных давлениях наблюдается еще и смятие. При качении с относитель­ ным скольжением (например, в зубчатых передачах) наблюдается износ и усталость, а в ряде случаев — и смятие поверхностей. Зона усталости расположена там, где относительное скольжение минимально или равно нулю (в зоне начальной окружности зуба). Зона более интенсивного износа расположена в местах большего относительного скольжения (головка и ножка зуба). Следует иметь в виду, что при износе также происходят коррозия, адгезия и дру­ гие физико-химические процессы. Влияние износа на надежность машин очень велико.

Рис, 2.2. Оценка степени повреж дений по выходным параметрам маш ины