Окружающий человека материальный мир в значительной части создан руками самого человека icon

Окружающий человека материальный мир в значительной части создан руками самого человека




НазваОкружающий человека материальный мир в значительной части создан руками самого человека
Сторінка1/15
Дата14.05.2013
Розмір2.66 Mb.
ТипДокументи
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15

ВВЕДЕНИЕ



Окружающий человека материальный мир в значительной части создан руками самого человека. По мере развития цивилизации рукотворная часть будет постоянно увеличиваться, в том числе и за счет появления разнообразнейших по конструкции и назначению машин и механизмов. Это сопровождается повышением рабочих параметров-нагрузок, скоростей, температур, давлений, уменьшением габаритов и массы, повышением требований к точности функционирования и эффективности работы (производительности, мощности, КПД). Происходящее является естественным результатом научно – технического прогресса, помогающим человеку в дальнейшем освоении и изучении окружающей его среды, облегчающим и делающим более комфортным его жизнь.

Однако при этом есть и "обратная сторона медали" - эксплуатация машин требует от человечества все возрастающих расходов, значительная часть которых приходится на ремонты, ликвидации последствий непредвиденных остановок, аварий и катастроф.

Промышленность несет огромные потери из-за недостаточной работоспособности выпускаемых машин. Так, за весь период эксплуатации затраты на ремонт и техническое обслуживание машин в несколько раз превышают стоимость новой машины, например, для автомобилей — до 6 раз, для самолетов — до 5 раз, для станков — до 8 раз, для радиотехнической аппаратуры — до 12 раз. Из-за коррозии ежегодно теряется до 10% выплавляемого металла.

Существенное недоиспользование потенциальных возможностей имеет место для машин, к которым предъявляются высокие требования безотказности (сохранению работоспособности). Они, как правило, снимаются с эксплуатации намного раньше того срока службы, который могло бы отработать большинство данных изделий.

Особенно с большими затратами времени и средств связано нарушение работоспособности уникальных машин, таких, как мощные турбины, доменные печи, тяжелые краны, химические и атомные реакторы и др. Нарушение работоспособности технологического оборудования (металлорежущих станков, сварочных аппаратов, термических печей) может привести к вы­пуску некачественной и ненадежной продукции.

Но могут быть и такие последствия нарушения работоспособности машин, которые нельзя оценить никакими экономическими показателями. Это - гибель людей в результате техногенных катастроф.

Для минимизации этих потерь все возрастающее внимание уделяется одному из важнейших свойств машины, а именно сохранять работоспособность в соответствии с заданными техническими условиями в заданных условиях эксплуатации в течение заданного промежутка времени. Данное свойство машины в инженерной отрасли знаний называется надежностью машины.

Надежность закладывается при проектировании, обеспечивается при производстве и реализуется при эксплуатации.

Важнейшими показателями надежности являются безотказность и долговечность. Обеспечение требуемого уровня этих показателей невозможно без изучения основ физики отказов (усталостной прочности, ползучести, износа и т.п.).

^ Физика отказов изучает необратимые процессы, приводящие при эксплуатации машин к потере конструкционным материалом своих начальных свойств.

Эти процессы, подчиняясь определенным физическим закономерностям, вступают в разнообразные взаимодействия, имеют сложную связь с изменением выходных параметров машины. Раскрытие этих связей возможно на основе
результатов исследований естественных наук, изучающих физико-химические процессы разрушения, старения и изменения свойств конструкционных материалов (металлов и пластмасс), из которых изготовлены машины.

Проблема разрушения твердых тел нашла отражение во многих различных дисциплинах — физике твердого тела, химии, металловедении, механике сплошной среды, статистической теории прочности и т. д. Развитие ее на стыке нескольких научных направлений обуслов­лено еще и тем, что проблема разрушения твердого тела включает в себя и микроскопические, и макроскопические аспекты. При рассмотрении данных инженерно – технических проблем круг проблем, решаемых физикой отказа, конкретизируется и детализируется, и этим занимается раздел физики отказа – механика разрушения.

В пособии, являющимся введением в механику разрушения конструкционных материалов, рассмотрены основы этой области инженерной деятельности. Эти знания необходимы специалисту по динамике и прочности машин для понимания сути процессов, происходящих с течением времени в силовых элементах машины, приводящих, в конечном счете, к её отказу.

В соответствии с принятым в механике разрушения твердого тела подходом к изучению данной проблемы в пособии рассмотрены:

- связи между микроскопическими и макроскопическими

явлениями;

- корреляции для одного и того же материала между различ­ными видами разрушения, такими как хрупкое, вязкое и усталост­ное, а также разрушение, вызванное ползучестью.

Отрасли знаний, охватываемые механикой разрушения, наглядно показаны на настоящей схеме:




Согласно схеме механика разрушения начинает заниматься вопросами разрушения на уровне размеров атомов и дислокаций вплоть до размеров примесей и зерен и далее доходит до макроуровня, рассматривая закономерности напряженно- деформированного состояния силовых элементов машин. Понимание этих процессов даёт возможность получить критерии, определяющие закономерности разрушения машин, и на основе этого позволяет целенаправленно проводить диагностирование технического состояния машин и прогнозирование их ресурса. Поэтому особое внимание необходимо уделять рассмотрению всех явлений во времени. Временные закономерности физики отказов являются базой для решения задач по обеспечению заданной безотказности и долговечности машин.

В конце пособия приведена основная библиография по данной отрасли знаний, которую можно использовать для углубленного изучения физической природы отказов машин.


^ 1 КЛАССИФИКАЦИЯ ОТКАЗОВ


1.1 Понятие отказа


Изменения в механических системах при их работе, приводящие в конечном счете к утрате работоспособности, представляют собой процессы, протекающие во времени.

Основные причины потери работоспособности машин, находящихся в эксплуатации, следующие:

  • поломки деталей из-за усталостных явлений, возникающих под действием нагрузки;

  • изменения размеров деталей в подвижных сопряжениях вследствие износа;

  • заклинивания сопрягающихся подвижных соединений;

  • поломки деталей под влиянием пиковых нагрузок;

  • отказ отдельных деталей и механизмов вследствие поломок

  • из-за суммарного влияния внешних условий, износа и усталости.


Отказы механических систем в основном происходят во время эксплуатации, главным образом потому, что определенная группа дефектов не обнаруживается в процессе предэксплуатационных опробований и испытаний машины. Одним из условий длительной бесперебойной работы машины является гарантированная безотказность её элементов в течение определенного, заранее заданного срока (в частном случае — до первого капитального ремонта в течение межремонтного срока и пр.).

Отказы классифицируют по причинам их возникновения, к которым относятся:

- конструктивные ошибки и недоработки, снижающие надежность машины (недостаточная прочность элементов конструкции, неудачная компоновка узлов, незащищенность наиболее ответственных частей машины от воздействия влаги, радиации, температуры, абразивов и пр.);

-производственные недостатки (скрытые дефекты, некондиционные материалы, несовершенство технологии обработки и сборки и т. д.);

- неправильные эксплуатация и техническое обслуживание, что может быть вызвано недостаточной подготовкой обслуживающего персонала, нарушением эксплуатационных инструкций, низкой технической культурой, плохим состоянием вспомогательных механизмов, особо тяжелыми условиями работы, плохим контролем за состоянием механизмов и пр.;

- некачественный ремонт или повреждение исправных агрегатов во время ремонта;

- естественный износ, потери усталостной прочности, естественное старение.

Конструктивно-производственные недостатки выявляются главным образом в начальный период эксплуатации. Машины в процессе так называемой приработки подвижных соединений и проверки функционирования отдельных частей и машины в целом в достаточной мере «проявляют себя». Однако в эксплуатацию не всегда поступают машины, прошедшие предварительную приработку,

в этом случае возможны отказы вследствие скрытых дефектов.

Эксплуатация машин показывает, что её базовые детали (станины, основания, кронштейны, стойки) по долговечности превосходят машину в целом.


1.2 Отказы типовых элементов машин


Опоры скольжения теряют необходимые эксплуатационные свойства вследствие абразивного износа или заеданий.

^ Подшипники качения обычно утрачивают работоспособность от усталостного выкрашивания, а также (при недостаточной защите) от абразивного износа.

Валы выходят из строя вследствие износа посадочных мест, от усталостного разрушения или деформирования, вызванного аварийными перегрузками.

^ Зубчатые передачи, работающие в условиях хорошей смазки, теряют работоспособность от усталостных изломов и выкрашивания. При высоких скоростях и удельных давлениях, когда снижается защитная способность масляной пленки, наблюдается заедание.

^ Переключаемые зубчатые передачи и зубчатые муфты выходят из строя из-за повреждения торцов зубьев. При недостаточной защите зубчатых передач от загрязнений и недостаточной фильтрации масел наиболее опасен абразивный износ.

^ Фрикционные муфты (конические, дисковые) теряют работоспособность из-за появления задиров на поверхностях контакта металлических деталей.

В муфтах с наклепанным (наклеенным) фрикционным материалом часты случаи срыва последнего с металлической основы. Общим дефектом для всех фрикционных муфт является так называемое «засаливание» фрикционной поверхности: загрязнение и замасливание соприкасающихся поверхностей, придающие им антифрикционные качества.

^ Эластичные пружинные муфты (со спиральными или пластинчатыми пружинами) выходят из строя вследствие поломок пружин из-за потери усталостной прочности (в нормальных условиях работы) или поломок при нерасчетных перегрузках.

^ Эластичные муфты, имеющие в числе конструктивных элементов резину, теряют работоспособность вследствие потери деталями из резины необходимых механических качеств при ее старении. На прочность и упругость резиновых деталей в основном влияют: старение резины, воздействие масел, химически активной среды, солнечного или радиоактивного облучения.

^ В цепях типа Галля при ударных нагрузках разрушаются втулки, при неточной установке звездочек выходят из строя пластины.

Ремни разрушаются вследствие естественного и искусственного старения, большей частью по месту вулканизированного стыка сшивки.

Тросы расплетаются и разрушаются при многократном наматывании (перекатывании) на барабаны (ролики) малого диаметра при воздействии постоянных или переменных нагрузок.

Современные машины и механизмы часто взаимодействуют с включенными в общую систему гидравлическими или пневматическими системами. Характерные для этих систем дефекты следующие:

-течи через ниппельные соединения вследствие низкого качества изготовления и сборки элементов;

-разрывы трубопроводов при вибрации машины и пульсации внутреннего давления;

-течи из-за низкого качества уплотнений в силовых цилиндрах и емкостях;

-заедания и заклинивания в распределительных (золотниковых) и клапанных устройствах вследствие загрязнения трубопроводов (мелкая металлическая стружка, абразив), изменения температурных условий, вибрации.

Приведенные причины выхода из строя узлов и деталей характерны для нормальных условий эксплуатации. В тяжелых условиях эксплуатации могут выходить из строя «неожиданные» детали в «неожиданные» сроки.

При низких температурах ударная вязкость большинства металлов снижается, резина и пластмассы становятся хрупкими; различие в коэффициентах линейного расширения, особенно в предварительно напряженных деталях, ведет к остаточным деформациям, поломке деталей, изменению зазоров в подвижных соединениях и передачах, что может привести к заклиниванию механизма. Разность температур внутреннего и наружного колец шарикоподшипника (особенно повышенная температура наружного кольца) снижает иногда его долговечность вдвое.

Попадание мелкой пыли и песка в машину приводит к интенсификации износа трущихся пар, к загрязнению и заклиниванию шарикоподшипников и т.п.

Отказы классифицируют по характеру возникновения, проявлению, причине возникновения (рис.1.1).




Рисунок 1.1 - Классификация отказов

Отказы делятся на независимые и зависимые. Если отказ какого-либо элемента в системе не вызван отказом других элементов, то он является событием независимым. Отказ, появившийся в результате отказа других элементов, есть событие зависимое.

Отказ вспомогательных элементов (например, нарушение декоративных покрытий), не влияющих на надежность, называют второстепенной неисправностью (они в дальнейшем не рассматриваются).

Отказу может предшествовать появление дефекта (например, обрыв троса из-за разрушения нитей). Для удобства анализа все отказы рассматриваются как независимые случайные события.

Если отказ одного элемента привел к отказу другого или целой группы элементов, то эта группа отказов рассматривается как одно независимое событие.


1.3 Причины потери машиной работоспособности


1.3.1 Источники и причины изменения начальных

параметров машины


Те изменения, которые происходят с течением времени в любой машине и приводят к потере ее работоспособности, связаны с внешними и внутренними воздействиями, которым она подвергается. В процессе эксплуатации на машину действуют все виды энергии, что может привести к изменению параметров отдельных элементов, механизмов и машины в целом. При этом имеются три основных источника воздействий:

- действие энергии окружающей среды, включая человека, исполняющего функции оператора или ремонтника;

- внутренние источники энергии, связанные как с рабочими процессами, протекающими в машине, так и с работой отдельных механизмов машины;

- потенциальная энергия, которая накоплена в материалах и деталях машины в процессе их изготовления (внутренние напряжения в отливке, монтажные напряжения).

При работе машины наблюдаются следующие основные виды энергии, влияющие на ее работоспособность.

^ Механическая энергия, которая не только передается по всем звеньям машин в процессе работы, но и воздействует на нее в виде статических или динамических нагрузок от взаимодействия с внешней средой.

Силы, возникающие в машине, определяются характером рабочего процесса, инерцией перемещающихся частей трением в кинематических парах. Эти силы являются случайными функциями времени. Природа их возникновения, как правило, связана со сложными физическими явлениями.

Механическая энергия в машине может возникнуть и как следствие тех затрат энергии, которые имели место при изготовлении частей машины и сохранились в них в потенциальной форме. Например, деформация частей при перераспределении внутренних напряжений, изменение объема детали после ее термической обработки происходят без всяких внешних воздействий.

^ Тепловая энергия действует на машину и ее части при колебаниях температуры окружающей среды, при осуществлении рабочего процесса (особенно сильные тепловые воздействия имеют место при работе двигателей и ряда технологических машин), при работе приводных механизмов, электротехнических и гидравлических устройств.

^ Химическая энергия также оказывает влияние на работу машины. Даже воздух, который содержит влагу и агрессивные составляющие, может вызвать коррозию отдельных узлов машины.

Если же машина работает в условиях агрессивных сред (оборудование химической промышленности, суда, многие машины текстильной промышленности и др.), то химические воздействия вызывают процессы, приводящие к разрушению отдельных эле­ментов и узлов машины.

^ Ядерная (атомная) энергия, выделяющаяся в процессе превращения атомных ядер, может воздействовать на материалы (особенно в ядерных реакторах атомных станций, в атомных корабельных силовых установках и в космосе), изменяя их свойства.

^ Электромагнитная энергия в виде радиоволн (электромагнитных колебаний) пронизывает все пространство вокруг машины и может оказать влияние на работу электронной аппаратуры.

^ Биологические факторы также могут влиять на работоспособность машины. Например, в тропических странах имеются микроорганизмы, которые не только разрушают некоторые виды пластмасс, но даже могут воздействовать на металл.

Таким образом, все виды энергии действуют на машину и ее механизмы, вызывают в ней целый ряд нежелательных процессов, создают условия для ухудшения ее технических характеристик.


1.3.2^ Процессы, снижающие работоспособность машин


Различные виды энергии, действуя на машину, вызывают в ее узлах и деталях процессы, снижающие её начальные параметры. Эти процессы связаны, как правило, со сложными физико-химическими явлениями и приводят к деформации, износу, поломке, коррозии и другим видам повреждений .

Это, в свою очередь, влечет за собой изменение выходных параметров машины, что может привести к отказу.

Эти взаимосвязи упрощенно можно выразить следующей схемой:





Следует подчеркнуть, что процессы, приводящие к изменению начальных свойств машины, протекают в материалах, из которых она изготовлена, включая не только детали машины, но и смазку, топливо и все то, что участвует в её рабочем процессе.

^ Вот примеры данных взаимосвязей. Механическая энергия, действующая в звеньях металлорежущего станка, приводит к возникновению процесса износа его звеньев. Это вызывает искажение начальной формы сопряжений (т. е. их повреждение), что приводит к потере станком точности, которая является основным выходным параметром станка. При достижении определенной погрешности обработки возникает отказ.

Химическая энергия вызывает процессы коррозии в резервуарах и трубопроводах агрегатов химической промышленности. Повреждение стенок резервуаров может привести вначале к ухудшению выходных параметров агрегата (загрязнение химических веществ, изменение пропускных сечений трубопроводов), а затем при разрушении стенок к полному выходу из строя машины.

Сочетание механических воздействий, в том числе высокочастотных колебаний, а также влияние температурных и химических факторов на элементы конструкции самолетов приводит к тому, что в них могут возникать усталостные разрушения (трещины). Они снижают несущую способность системы, что при определенной величине повреждения приводит к разрушению элемента конструкции и может закончиться аварией.

Следует иметь в виду, что процесс, возникающий в результате действия того или иного вида энергии, может не сразу привести к повреждению машины. Часто существует период «накопления воздействий» прежде чем начнется период внешнего проявления процесса, т. е. повреждение машины. Например, для начала развития усталостной трещины необходимо определенное число циклов переменных напряжений. Типичные кривые протекания процессов во времени рассмотрены ниже.

^ Повреждение конструкционного материала машины — это отклонение его контролируемых свойств от их начальных значений. Это отклонение связано с выходными параметрами машины определенной зависимостью. Не всякое повреждение влияет на выходные параметры машины. Также и определенная степень этого повреждения может не повлиять на показатели работоспособности.

Из схемы, приведенной выше, видно, что между воздействием энергии на машину и возникновением отказа имеет место последовательная цепочка взаимосвязей, которая рассмотрена ниже.

Следует иметь в виду, что часть процессов, происходящих в машине и влияющих на ее технические характеристики, являются обратимыми.

^ Обратимые процессы временно изменяют параметры деталей, узлов и всей системы в некоторых пределах, без тенденции прогрессивного ухудшения. Наиболее характерный пример таких процессов — упругая деформация узлов и деталей машин.

^ Необратимые процессы приводят к прогрессивному ухудшению технических характеристик машины с течением времени. Наиболее характерными необратимыми процессами в машинах являются изнашивание, коррозия, усталость, перераспределение внутренних напряжений и коробление деталей с течением времени.


^ 1.3.3 Классификация процессов, действующих на машину, по скорости их протекания


Для оценки надежности машины необходимо оценить скорость протекания процессов, снижающих её работоспособность.

^ Быстропротекающие процессы имеют периодичность изменения, измеряемую обычно долями секунды. Эти процессы заканчиваются в пределах цикла работы машины и вновь возникают при следующем цикле. Сюда относятся вибрации узлов, изменения сил трения в подвижных соединениях, колебания рабочих нагрузок и другие процессы, влияющие на взаимное положение узлов машины в каждый момент времени и искажающие цикл ее работы.

Быстропротекающие процессы возникают в результате сложных физических взаимодействий, которые имеют место при работе машины. Так, возникновение устойчивых колебаний в металлорежущих станках связано с переменностью сил резания из-за периодического изменения величины сечения среза (когда поверхность резания волнистая), из-за изменения сил трения между сходящей стружкой и инструментом, из-за возникновения и удаления нароста на инструменте и других причин. Система станка, на которую действуют эти силы, может создавать условия для обратного влияния на параметры резания и поддержания или усиления возникающих колебаний.

^ Процессы средней скорости связаны с периодом непрерывной работы машины. Их длительность измеряется обычно в минутах или часах. Они приводят к монотонному изменению начальных параметров машины. К этой категории относятся как обратимые процессы (изменение температуры самой машины и окружающей среды, изменения влажности среды), так и необратимые (износ вкладышей в подшипниках скольжения, который протекает во много раз интенсивнее, чем изнашивание других деталей и узлов машины).

Процессы средней скорости (например, тепловые деформации), как правило, характеризуются случайными величинами и функциями, что связано с многообразием параметров, определяющих протекание данного процесса.

Например, на тепловые поля машины влияют: колебание температуры окружающей среды, колебание коэффициента трения в приводных механизмах (что определяет величину тепловыделения), теплообразование при рабочих процессах и др.

^ Медленные процессы протекают за время работы машины между периодическими осмотрами или ремонтами. Они длятся дни и месяцы. К таким процессам относятся износ основных механизмов машины, перераспределение внутренних напряжений в деталях, ползучесть металлов, загрязнение поверхностей трения, коррозия, сезонные изменения температуры.

Эти процессы также влияют на точность, мощность, КПД и другие параметры машин, но изменения их происходят очень медленно. Обычные методы борьбы с медленными процессами — ремонт и профилактические мероприятия, которые проводятся через определенные промежутки времени.

Следует подчеркнуть, что медленные процессы, как и процессы средней скорости, являются случайными функциями. К числу медленных процессов относится износ машин, который приводит к повреждению трущихся поверхностей и, как правило, является причиной большого числа отказов машины. Для создания работоспособной машины необходимо обеспечить высокую износостойкость ее пар трения.


^ 1.3.4 Допустимые и недопустимые виды

повреждений деталей и сопряжений


Различные вредные процессы, воздействующие на машину, приводят к повреждению ее деталей, что, в свою очередь, может явиться причиной отказа. Для оценки работоспособности детали необходимо установить характер повреждений, в результате которых она выходит из строя, т. е. возникает отказ.

При работе машины отказ деталей может возникнуть в результате их поломки, деформации, износа или пластической деформации поверхностных слоев, тепловых трещин, коррозии и т. д. Однако не все виды повреждений являются неизбежным следствием работы машины. Некоторые из них возникают из-за неправильного расчета и подбора материала или недопустимых методов эксплуатации.

Виды повреждений деталей машины и соответственно отказы можно разбить на две группы: допустимые (по характеру, а не по величине повреждения), возникающие при нормальных условиях эксплуатации, и недопустимые, которые носят аварийный характер. При этом разрушению или деформации может подвергаться как тело детали, так и ее поверхность, находящаяся во взаимодействии (контакте) с поверхностью сопряженной де­тали.

^ К допустимым повреждениям относятся коробление (остаточные деформации) детали, в некоторых случаях поломка в результате усталости, некоторые виды износа, усталость поверхностных слоев.

Как правило, недопустимы поломки деталей в результате недостаточной статической, динамической или усталостной прочности, тепловые трещины в результате нагрева детали, в ряде случаев коррозия. Для поверхностей контакта характерны такие недопустимые повреждения, как некоторые виды износа, протекающие с большой интенсивностью (молекулярно-механический износ, приводящий к задирам поверхностей, тепловой износ), выкрашивание частиц с поверхности трения и др. Следует иметь в виду, что разделение повреждений на допустимые и недопустимые зависит не только от характера повреждений, но и от тех требований, которые предъявляются к данному изделию, и от возможностей предотвратить данный процесс. Например, коррозия — допустимый вид повреждения для корпусов морских судов и недопустимый для станин станков.

Все недопустимые повреждения и причины их возникновения должны быть устранены теми или иными методами. Допустимые повреждения, как правило, не могут быть полностью устранены; можно лишь замедлить их проявление, например, путем уменьшения скорости изнашивания.

Повреждения элементов машины могут привести к ее отказам, если степень этих повреждений превзошла допустимый уровень.

Виды повреждений определяют содержание ремонтов машины. Допустимые повреждения деталей устраняются плановыми ремонтами машины. Отказы деталей из-за недопустимых повреждений устраняются в ходе аварийных ремонтов. Ремонт этих деталей не может быть предусмотрен планом, так как возникновение отказа не должно иметь места и является следствием неправильной эксплуатации или некачественного изготовления машин. Допустимые повреждения вызываются в основном старением материалов, из которых они изготовлены.

^ Процессом старения называется необратимое изменение свойств или состояния материала машины в результате действия различных факторов.

Например, упругая или тепловая деформация машины, которая может привести к отказу, не является процессом старения, так как при снятии внешних нагрузок (силовых и температурных), вызвавших данную деформацию, машина приобретает исходные характеристики.

Необратимые процессы — износ, коррозия, усталость, потеря магнитных свойств материала, структурные его изменения, изменение отражательной способности поверхности и другие — приводят к таким повреждениям, которые ухудшают начальные параметры машины, т. е. происходит его старение.

Следует иметь в виду, что и обратимые процессы могут участвовать в старении машины, если с течением времени изменяется степень отклонения выходных параметров машины при тех же воздействиях. Например, с течением времени происходит рост амплитуд при вибрации машины, хотя внешние нагрузки сохраняются прежними.

Изучение процессов старения необходимо для оценки потери работоспособности машины во времени .


^ 1.3.5 Постепенные (износные) и внезапные отказы


Основным признаком, определяющим различные виды отказов, служит характер возникновения и протекания процессов, приводящих к отказу. Существуют следующие основные виды отказов (рис. 1.2).

^ Постепенные (износные) отказы (рис. 1.2а) возникают в результате протекания того или иного процесса старения, ухудшающего начальные параметры машины.

Основным признаком постепенного отказа является то, что вероятность его возникновенияв течение заданного периода времени от t1 до t2 зависит от длительности предыдущей работы машины t1 . Чем больше эксплуатировалось машина, тем выше вероятность возникновения отказа, т. е. если t2 > t1, где F(Δt) — вероятность отказа за период от t до (t +Δt).

К этому виду относится большинство отказов машины. Они связаны с процессами износа, коррозии, усталости и ползучести материалов.

^ Внезапные отказы (рис. 1.2б) возникают в результате сочетания неблагоприятных факторов и случайных внешних воздействий, превышающих возможности машины к их восприятию.

Отказ возникает через некоторый промежуток времени Тв, который является случайной величиной.



Рисунок 1.2 - Схема возникновения основных видов отказов:

а - постепенный (износный); б - внезапный; всложный


Основным признаком внезапного отказа является независимость вероятности его возникновенияв течение заданного периода времени (от t1 до t2 ) от длительности предыдущей работы машины

Примерами таких отказов могут служить тепловые трещины, возникшие в детали вследствие прекращения подачи смазки, поломки детали из-за неправильной эксплуатации машины или возникновения перегрузок, деформация или поломка деталей, попавших в такие условия работы, когда каждый параметр при­нимает экстремальное значение (наибольшие нагрузки, минимальная твердость материала, повышенная температура и т. п.). Выход из строя при этом происходит, как правило, внезапно, без предшествующих симптомов разрушения.

Например, причиной отказа автомобильной покрышки может быть как ее износ в результате длительной эксплуатации, так и прокол. Вероятность отказа покрышки из-за износа протектора у старой покрышки во много раз больше, чем у новой. В противоположность этому прокол — внезапный отказ — не связан с длительностью работы покрышки до данного события. Вероятность его возникновения зависит от состояния дороги и одинакова как для новых покрышек, так и для находившихся в эксплуатации.

Иногда существует мнение, что появлению внезапных отказов обычно также предшествуют скрытые изменения свойств деталей или компонентов, которые не всегда удается обнаружить. Поэтому разделение на внезапные и постепенные отказы носит условный характер.

С этим нельзя согласиться, так как деление на постепенные и внезапные отказы определяется природой их возникновения, а не тем, установлена или нет причина отказа. Внезапность отказа при эксплуатации машины в результате скрытности процесса разрушения еще не означает, что отказ относится к категории внезапных.

Критерием здесь будет служить наличие или отсутствие зависимости от времени предыдущей работы машины. В качестве примера на рис.1.3 показана пара трения 1—2, где нарушение работоспособности сопряжения происходит в результате задира поверхностей трения, что является следствием двух причин.



Рисунок 1.3 - Возникновение задиров на трущихся поверхностях 1 и 2 из-за попадания абразива 3 или проявления дефекта отливки 4

Во-первых, повреждение поверхности может произойти из-за попадания извне абразивной частицы 3 и, во-вторых, — из-за проявления скрытого дефекта отливки — раковины 4, которая может оказаться на поверхности трения по мере износа направляющей.

Оба отказа проявляются примерно одинаково, однако их природа и соответственно методы повышения надежности совершенно различны.

В первом случае будет иметь место внезапный отказ, так как вероятность попадания абразивной частицы зависит от внешних факторов, а не от длительности работы машины. Повышение безотказности в этом случае связано с улучшением методов эксплуатации и защиты поверхности трения от загрязнения.

Во втором случае будет иметь место постепенный отказ, так как его появление связано с процессом износа поверхности и с качеством самого материала. Чем дольше работает сопряжение и больше изнашивается направляющая, тем выше вероятность появления на поверхности скрытого дефекта.

При возникновении данного отказа он также воспринимается при эксплуатации машины как внезапный, так как никаких предварительных симптомов выхода машины из строя не было. На самом деле этот отказ уже определен технологией, которая допускает вероятность (пусть небольшую) появления дефекта в детали. На вероятность возникновения этого отказа не влияет улучшение методов эксплуатации машины. Для предотвращения задиров от дефектов машины надо улучшить технологию отливки, из которой выполнены детали 1 и 2.

Наступление любого отказа зависит от скорости процесса повреждения— степень повреждения, и от времени начала возникновения этого процесса Тв (см. рис. 1.2). Для постепенного отказа т, е. при эксплуатации машины, процесс начинается сразу, даже если он вначале практически не проявляется, а скорость процесса является функцией времени

Для внезапного отказа время возникновения его Тв является случайной величиной и подчиняется некоторому закону распределения f(Тв), не зависящему от состояния машины. Процесс протекает весьма быстро () и поэтому функция f(Тв) определяет вероятность безотказной работы. Может быть и третий вид отказов, который включает особенности двух предыдущих (см. рис. 1.2 в), который будем называть сложным отказом. Здесь время возникновения отказа — случайная величина, не зависящая от состояния машины, а скорость процесса потери работоспособности машины зависит от его сопротивляемости.

Например, внешние, недопустимые ударные воздействия на машину (редкое случайное событие) могут явиться источником возникновения усталостной трещины из-за концентрации напряжений. Постепенное развитие трещины будет происходить по мере дальнейшей эксплуатации машины.


^ 1.3.6 Отказы функционирования и

параметрические отказы


Последствия отказов весьма разнообразны. Их можно разделить на параметрические и отказы функционирования.

^ Отказ функционирования приводит к тому, что машина не может выполнять своих функций. Например, в результате отказа редуктор не вращается и не передает движения, двигатель внутреннего сгорания не запускается, насос не подает масла и т. п. Часто отказ функционирования связан с поломками или заклиниванием отдельных элементов машины.

^ Параметрический отказ приводит к выходу параметров (характеристик) машины за допустимые пределы. Такие отказы, как нарушение точности обработки на станке, падение КПД передачи, снижение максимальной скорости движения автомобиля ниже нормы, снижение напора жидкости, создаваемой насосом и другие не ограничивают возможность дальнейшего функционирования машины. Однако она становится неработоспособной с точки зрения требований, установленных техническими нормативами.

Для современных машин наиболее характерны параметрические отказы. Это связано с высокими требованиями к выходным параметрам современных машин. Эксплуатация машины, имеющей параметрический отказ, может привести к весьма тяжелым экономическим и иным последствиям. Например, к выпуску некачественной продукции, которая может быть причиной отказов в сфере ее эксплуатации, к невыполнению машинами возложенных функций, что приводит к большим дополнительным затратам времени и средств.

В сложных машинах и системах параметрические отказы элементов могут привести к отказу функционирования. Например, в многозвенном механизме, последнее звено которого совершает небольшое перемещение, в результате износа кинематических пар возможен случай, когда наличие зазоров приведет к тому, что ведомое звено вообще не будет перемещаться.

Потеря мощности авиационного двигателя может привести к невозможности полета самолета, рост утечек в элементах гидросистемы управления ведет к падению давления, что может вызвать несрабатывание золотника, дающего команду на включение агрегата и т. д.

Поэтому параметрические отказы являются одним из основных объектов рассмотрения в теории надежности машин.

Следует подчеркнуть, что отказы функционирования и параметрические отказы могут быть как постепенными, так и внезапными.

Например, внезапный отказ измерительного прибора из-за недопустимых внешних воздействий будет параметрическим — если потеряна его точность из-за нагрева от внешних источников тепла и отказом функционирования — если произошло заклинивание его механизмов из-за запыления атмосферы.


^ 1.3.7 Допустимые и недопустимые отказы


В соответствии с разделением повреждений на допустимые и недопустимые аналогичное понятие следует применять и к отказам.

^ Допустимые отказы связаны с процессами старения, которые приводят к постепенному ухудшению выходных параметров машины. Сюда же следует отнести внезапные отказы, которые вызваны неблагоприятным сочетанием факторов, если последние находятся в пределах, указанных в ТУ на эксплуатацию. Иногда конструктор сознательно допускает некоторую (как правило, небольшую) вероятность возникновения отказа, чтобы облегчить и удешевить конструкцию. Это, конечно, допустимо лишь в тех случаях, когда отказ не вызовет катастрофических последствий. Например, даже в самолетных конструкциях допускается развитие усталостных трещин в некоторых элементах и панелях крыльев.

^ Недопустимые отказы связаны с нарушением следующих условий производства и эксплуатации:

- нарушения технических условий при изготовлении и сборке

изделий;

- нарушения правил и условий эксплуатации и ремонта;

- превышение режимов работы машины выше допустимых;

- нарушение правил ремонта;

- ошибки людей управляющих, машиной и т. п.;

- скрытые причины;

- не учтенные в технических условиях и нормативах параметры.

Машина может быть выполнена в строгом соответствии с техническими условиями (ТУ), однако сами ТУ не учитывают всех тех объективно существующих факторов, которые влияют на надежность и проявляются в процессе эксплуатации.


^ 1.3.8 Допустимая вероятность безотказной работы

как мера для оценки последствий отказа


Стремление к недопущению отказа при эксплуатации машины связано с боязнью последствий отказа, которые, как было сказано выше, могут быть самыми разнообразными — от незначительного материального ущерба до катастрофических. Эти последствия связаны с характером самого отказа (что и где отказало) и с такими факторами,

как время, необходимое для устранения отказа, возможность ремонта, продолжительность существования отказа (возможность самовосстановления работоспособности машины), влияние данного отказа на вероятность возникновения других более опасных отказов и т. д.

Все особенности отказа и его последствий достаточно характеризовать допустимой вероятностью безотказной работы, которая аккумулирует в себе и численно оценивает опасность последствий отказа.

Надежность как машины в целом, так и отдельных ее узлов и деталей должна характеризоваться допустимой вероятностью безотказной работы Р(t). Для различных машин применяются категории отказов, отражающие их специфику и оценивающие опасность отказа. Пример подобной классификации отказов приведен в табл. 1.1, согласно которой отказы разбиты на пять категорий.


Таблица 1.1 - К а т е г о р и и о т к а з о в

Категория

Критерии значимости

1

Отказ не приводит к заметным последствиям; заказчик (потребитель) не заметит отказ

2

Последствия отказа незначительны; у заказчика (потребителя) он может вызывать только неудовольствие

3

Отказ приводит к неудобству использования машины, вызывает у заказчика (потребителя) раздражение, он замечает снижение её эксплуатационных характеристик

4

Высокая степень недовольства заказчика (потребителя),

машина не работает или непригодна к использованию из-за отказа. Отказ не связан с безопасностью человека

5

Отказ связан с угрозой опасности человеку или окружающей среде



Для каждой категории устанавливается свое значение допустимой вероятности безотказной работы Р(t) или же .вероятности отказа Q(t) . Эти величины связаны между собой следующим соотношением:


P(t)+Q(t)=1. (1.1)


Ориентировочные значения параметра Q(t) приведены в таблице 1.2.


Таблица 1.2- В е р о я т н о с т ь о т к а з а

Критерии

Вероятность отказа

Практически недостоверное событие, отказа в течение времени t ожидать не следует

0

Низкая вероятность отказа

0,00005

Возможность появления отказа ассоциируется только с методами расчета

0,0001

Умеренная вероятность отказа

0,0005

Практически отказов можно ожидать

0,050

Повышенная вероятность отказа

0,01

Ассоциируется с методами расчета аналогов и отказами в небольших количествах при предыдущих наблюдениях

0,05

Высокая вероятность отказа

0,10

Высокая вероятность отказа

0,10

Известно, что будет иметь место большое число отказов

0,5 и более


Для выявления наиболее опасных категорий отказов в ряде случаев применяются специальные методы анализа и учета возникающих отказов. Особенно важно оценивать параметрические отказы, так как здесь возможен широкий диапазон последствий — от

значительного влияния отказа на работоспособность машины до катастрофических последствий.

Для выявления параметрических отказов, снижающих работоспособность сложной машины, например ракеты, применяют автоматические методы контроля работоспособности, когда анализ состояния системы ведется на основе алгоритма, оценивающего характер сигнала об отказе, и выбирают лишь те категории отказов, которые связаны с основными параметрами машины.

Тщательный анализ и выявление всех основных видов отказов — предпосылка для успешного решения задач, связанных с повышением надежности машины. При этом необходимо знать границы работоспособности машины, т.е. знать предельные значения параметров, которые машина превысить не может.


1.4 Оценка предельного состояния машины


1.4.1 Предельное состояние по степени повреждения

и по выходному параметру


Предельное состояние характеризует выход машины из области работоспособности. Это относится как к машине в целом, так и к ее узлам, деталям и элементам.

Требования к машине с точки зрения точности функционирования, обеспечения технических характеристик, безопасности эксплуатации, влияния на окружающую среду, эффективности работы и др. оговариваются, как правило, в технических условиях. При достижении предельного состояния дальнейшая эксплуатация машины должна быть прекращена, так как возникает потребность в ремонте или техническом обслуживании.

Во всех рассмотренных выше моделях отказов считалось, что предельно допустимое значение параметра Хmах известно. Однако установление нормативов и расчет Хmах является сложной задачей, требующей специального методического подхода. Основная трудность при этом заключается в том, что, как правило, конструктором назначаются допустимые пределы изменения выходных параметров только для машины в целом (мощность, точность, производительность и др.) или ее агрегатов, представляющих самостоятельные конструктивные узлы.

Однако для обеспечения требуемых нормативно-технических показателей необходимо установить предельно допустимые значения всех тех параметров элементов и деталей, от которых зависит работоспособность машины в целом.

Следует иметь в виду, что предельно допустимое состояние может быть установлено как для степени повреждения машины так и для выходного параметра . Хотя и связаны функциональной зависимостью, оценка предельного значения для каждого из этих показателей имеет свой смысл.

Установление является основным, так как именно изменение выходного параметра определяет область работоспособности изделия. Выходной параметр изделия легче контролировать, и проверка условия работоспособности не представляет обычно принципиальных трудностей при эксплуатации изделия. Поскольку изменение выходных параметров изделия является следствием повреждений отдельных элементов, для восстановления работоспособности изделия надо решать вопрос, допустима ли степень повреждения отдельных элементов и какие из них требуют ремонта или замены. Поэтому наряду с назначением необходимо установить для повреждений, которые участвуют в формировании выходного параметра. При этом могут быть три основных случая взаимосвязи и

- выходной параметр определяет (в основном) один из видов повреждения



- выходной параметр определяется суммарным повреждением

элементов с учетом их влияния через некоторое передаточное отношение k :



- выходной параметр связан сложной функциональной

зависимостью с предельными повреждениями элементов



Таким образом, предельные состояния по степени повреждения должны назначаться исходя из допустимых отклонений выходного параметра Xmax и учитывать зависимость между X и показателями степени повреждения элементов машины.


^ 1.4.2 Критерии оценки предельного состояния по выходному параметру


Основным критерием предельного состояния машины является то экстремальное значение параметра, которое допускается техническими условиями. Однако сам ход процесса изменения выходных параметров и наличие зон их резкого возрастания также служит критерием для установления максимально допустимых значений

Возможны три основных группы критериев (табл. 1.3):

- в результате износа или других повреждений происходит скачкообразное изменение состояния машины, и она перестает функционировать.

Например, потеря герметичности резервуара при коррозии, заклинивание машины при её износе, поломка детали из-за хрупкого разрушения и т. п. Здесь, как правило, трудно судить по выходному параметру о близости к предельному состоянию и более целесообразно регламентировать максимально допустимую степень повреждения Umax ;

- в результате процесса повреждения имеется зона интенсивного возрастания выходных параметров машины — рост вибраций, температуры, шума. Здесь, даже если эти параметры ещё находятся в допустимых пределах, необходимо установить значение , соответствующее началу интенсификации процесса потери работоспособности ;

- основной случай назначения Хmax — когда процесс повреждения не имеет экстремальных зон и выходные параметры определяются установленными на машину техническими условиями.


Таблица 1.3-Критерии предельного состояния



1.4.3. Регламентация предельных состояний

в нормативно- технической документации


Качество любой машины характеризуется количественными показателями её свойств, которые и являются выходными параметрами. Стремление к созданию все более качественных машин приводит к ужесточению требований к его выходным параметрам и к росту их числа. При установлении номенклатуры регламентируемых параметров должны учитываться следующие факторы.

^ Эффективность работы машины определяется ее назначением. Прогресс техники связан с ростом скоростей, нагрузок, температур, точности, производительности и других эксплуатационных показателей машин. Они определяют уровень развития машины, ее конкурентоспособность и составляют основное содержание ТУ, в которых должны быть указаны предельные значения выходных параметров.

^ Опасность дальнейшей эксплуатации машины может ограничить значение отдельных параметров, хотя эффективность ее работы может быть при этом достаточно высокой. Например, ТУ могут устанавливать предельные значения на температуру масла в двигателе, на засоренность топлива, на деформацию конструкции и

т. п., если это связано с опасностью нарушения нормальной эксплуатации и тяжелыми последствиями отказа.

^ Вредное влияние на окружающую среду. Ряд ограничений на выходные параметры машины может быть совершенно не связан с ее эффективностью, однако эти показатели оказывают недопустимое влияние на окружающую среду. Так, устанавливаются ограничения на шум машины, состав выхлопных газов автомобильного двигателя, уровень радиации, вибрации, температуры и другие показатели. Выход любого из них за установленные пределы будет являться также отказом, хотя сама машина при этом может прекрасно функционировать.

Аналогичная картина будет иметь место при оценке влияния работы отдельных агрегатов и механизмов машины на другие её элементы. Тепловыделения, вибрации, деформации и другие изменения в работающем узле могут не влиять на его функционирование, но оказывать существенное воздействие на работоспособность других узлов и машины в целом. Данные показатели также ограничиваются предельно допустимыми значениями.

^ Трудоемкость восстановления. Изменение выходного параметра в допустимых по условиям эксплуатации пределах может иногда привести к такой степени повреждения машины, при которой восстановление утраченной работоспособности будет связано с повышенной трудоемкостью. Например, на работоспособность цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания влияет радиальный зазор между цилиндром и поршневым кольцом. Однако износ зеркала цилиндра приведет к необходимости проводить трудоемкий ремонт, в то время как при износе кольца осуществляется его замена. Поэтому допуск на предельное состояние — максимально допустимый износ кольца — должен назначаться с учетом минимального износа цилиндра.

Технические условия на выходные параметры различных машин и агрегатов служат основой для назначения допусков на предельные состояния для узлов и деталей, входящих в машину.

При назначении технических условий на предельные состояния выходных параметров машины выбираются лишь те, изменение которых возможно в процессе эксплуатации. Если опыт эксплуатации или расчет свидетельствуют, что данный выходной параметр не претерпевает изменений или эти изменения не регламентированы требованиями к работоспособности машины, то ТУ не устанавливают и его предельных значений.

Следует отметить, что сложность процессов функционирования и потери машинам работоспособности часто приводят к необоснованным назначениям ТУ на предельные состояния или к их отсутствию для ряда характеристик. Кроме того, численные значения допусков на выходные параметры часто устанавливаются для новых машин и не оговариваются допустимые пределы их изменения.

Поэтому весьма актуальной является задача по обоснованию и установлению запасов надежности по выходным параметрам изделия. При этом для современных машин часто целесообразно устанавливать нормативы не только на предельные состояния по выходным параметрам, но и по степени повреждения отдельных элементов машины, определяющих изменение ее характеристик. Так лимитируются предельные состояния по величине возникающих трещин, по степени деформации, по износу и другим повреждениям.

Успешно решить данную задачу можно только на основе знаний законов механики разрушения конструкционных материалов.

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15

Схожі:

Окружающий человека материальный мир в значительной части создан руками самого человека iconФ. Энгельс роль труда в процессе превращения обезьяны в человека
Но он еще и нечто бесконечно большее, чем это. Он — первое основное условие всей человеческой жизни, и притом в такой степени, что...
Окружающий человека материальный мир в значительной части создан руками самого человека iconФизиология человека. В 3-х томах. Т. Пер с англ./ под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. М.: Мир, 1996. 198 с
Физиология человека: в 3-х томах / пер с англ под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. – М.: Мир. 1996.]
Окружающий человека материальный мир в значительной части создан руками самого человека iconФизиология человека. В 3-х томах. Т. Пер с англ./ под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. М.: Мир, 1996. 313 с
Физиология человека: в 3-х томах / пер с англ под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. – М.: Мир. 1996.]
Окружающий человека материальный мир в значительной части создан руками самого человека iconМинистерство здравоохранения украины харьковский национальный медицинский университет кафедра анатомии человека Заведующий кафедрой – профессор А. А. Терещенко материалы по анатомии человека
Материалы по анатомии человека для подготовки к практическим занятиям, итоговому модульному контролю «Модуль Анатомия опорно-двигательного...
Окружающий человека материальный мир в значительной части создан руками самого человека iconКонкурс на участие в летней школе “Права человека и медицина” в Польше
Объявлен конкурс на участие в Международной летней школе по правам человека «Права человека и медицина», которая будет проходить...
Окружающий человека материальный мир в значительной части создан руками самого человека iconИндивидуальная конституционная жалоба в механизме защиты прав человека добродумов П. А
Ключевые слова: Конституция, права человека, конституционализация, конституционная жалоба
Окружающий человека материальный мир в значительной части создан руками самого человека iconИнформационное письмо министерство образования и науки, молодежи и спорта украины гвуз «Донецкий национальный технический университет»
«философско-этическое наследие г. С. Сковороды и духовный мир современного человека»
Окружающий человека материальный мир в значительной части создан руками самого человека iconАрутюнова Н. Д. Язык и мир человека. 2-е изд., испр
Ця мовознавча дисципліна займається аналізом мовних закономірностей, які виходять за межі одного речення. Її мета виявити конститутивні...
Окружающий человека материальный мир в значительной части создан руками самого человека iconКонституция коморских островов
Уставе оон, Организацией африканского единства, пактом Лиги арабских государств, всемирной декларацией ООН о правах человека, Африканским...
Окружающий человека материальный мир в значительной части создан руками самого человека iconДуховное преображение человека знак новой эры
В настоящей статье изложена концепция необходимости духовного преображения человека в силу действия, космического закона творения...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи