Токарев А.Н. Основы теории надёжности и диагностика. Учебник
Подождите немного. Документ загружается.
130
Кавитация - процесс, когда в потоке жидкости создаются
пузырьки пара и газа. При переходе в область с более высоким
давлением происходит конденсация пара, и создаются условия для
местного гидравлического удара. Гидравлический удар,
происходящий при захлопывании пузырьков, воздействует на
очень маленькую площадь и поэтому сила удара может быть столь
значительной, что появляются глубокие каверны, которые могут
сливаться и создавать кратеры или даже сквозные отверстия.
Кавитация наблюдается в гидронасосах, в гидротурбинах,
трубопроводах.
Прогар характерен для деталей, работающих в условиях
высоких температур и соприкасающихся с горячей струей газа.
На автомобильном транспорте этот вид повреждений
характерен для поршней и выхлопных труб двигателей
внутреннего сгорания.
Нарост. Процессы наростообразования происходят при
взаимодействии поверхности детали с окружающей средой. При
этом детали претерпевают такие изменения, в результате которых
происходит присоединение (нарост) материала, и поверхность
изменяет свою форму и свойства.
Нарост в агрегатах автомобиля проявляется в виде
загрязнения фильтров, внутренних стенок корпусов редукторов и
блоков цилиндров, загрязнение поверхностей фар, заращивание
жиклеров и топливных каналов в карбюраторе и т.д.
Процессы, происходящие в поверхностном
слое подвижной детали.
К процессам, происходящим в поверхностном слое
подвижной детали, относится изнашивание. Изнашивание
относится к классу медленных процессов и является одним из
основных постоянно действующих процессов приводящих к
нарушению работоспособности подвижных соединений.
Это основной вид старения в деталях многих машин, т.к.
основную массу деталей, лимитирующих надежность машины,
составляют именно подвижные соединения.
Изнашиванием называется процесс постепенного измене-
ния размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с
поверхности трения материала и его остаточной деформации.
131
Износ - это результат изнашивания. Он выражается в из-
менении размеров, формы, объема и веса сопряженных деталей.
Все виды изнашивания можно разделить на три основных
группы: механическое, молекулярно-механическое (адгезионное),
коррозионно-механическое изнашивание (рис. 6.3).
Рисунок 6.3 – Классификация видов изнашивания.
Механическое изнашивание (абразивное изнашивание)
возникает в результате режущего или царапающего действия
твердых частиц, находящихся между поверхностями трения. Эти
частицы, попавшие извне или отделившиеся от трущихся деталей,
попадают в смазку между трущимися поверхностями и резко
увеличивают их износ.
Примером механического изнашивания являются, в основ-
ном, открытые сопряжения.
Молекулярно-механическое изнашивание (адгезионное
изнашивание) связано с возникновением в локальных зонах кон-
такта поверхностей интенсивного молекулярного (адгезионного)
взаимодействия, силы которого превосходят прочность связей
материала поверхностных слоев с основным материалом.
Трущиеся поверхности сопряженных деталей могут иметь
местные контакты из-за неровностей. В этих местах возможны
разрывы масляной пленки и, зачастую, сильный нагрев. Затем
происходит разрушение или отрыв схватившихся частиц друг от
друга. При этом на одной поверхности образуется углубление, на
другой - выступ, т.е. происходит перенос металла с одной детали
на другую.
Адгезионное изнашивание приводит, как правило, к схва-
тыванию контактирующих участков, глубокому вырыванию ма-
Механическое
Коррозионно-
механическое
Изнашивание
Молекурярно-
механическое
132
териала, переносу его с одной поверхности трения на другую и
воздействию возникших неровностей на сопряженную поверх-
ность. Этот вид износа относится к недопустимым видам по-
вреждения, так как обладает высокой интенсивностью и приводит,
как правило, к заеданию и отказу сопряжения. Такое изнашивание
наблюдается в процессе приработки механизмов.
Коррозионно-механическое изнашивание происходит при
наличии на поверхности трения защитных пленок, образовавшихся
в результате взаимодействия металла с кислородом.
Особенность коррозионно-механического износа при
трении качения заключается в том, что наличие больших
деформаций в поверхностных слоях, облегчает диффузию
кислорода и его взаимодействие с металлом. Пластически
деформированный и насыщенный кислородом слой становится
хрупким и под воздействием циклических нагрузок быстро
разрушается. Затем этот процесс охватывает следующие слои
металла и процесс повторяется.
6.3 Параметры, характеризующие работоспособность машин
В практике эксплуатации сложных машин, когда вопрос
касается определения работоспособности машины в данный
момент, принято говорить о техническом состоянии машины.
Техническое состояние машины – это состояние,
определяющее уровень работоспособности машины в
эксплуатации, т.е. нахождение машины в интервале от
работоспособного до неработоспособного состояния.
Техническое состояние любой
машины оценивается
совокупностью изменяющихся параметров, характеризующих её
состояние. В практике эксплуатации машин принято оценивать
техническое состояние машины в целом и её элементов по
величине структурных или диагностических параметров.
Структурные параметры - параметры, определяющие
связи между деталями в агрегатах, механизмах или системах
машины.
Диагностические параметры - это косвенные физические
величины, удобные для измерения и
связанные определенной
зависимостью со структурными параметрами. Пользуются ими в
133
том случае, когда структурные параметры очень сложно измерить,
в основном из-за необходимости разборки узла или агрегата
машины.
6.3.1 Структурные параметры
Структурные параметры - это физические величины,
характеризующие структуру элементов машины, их связь и
взаимодействие между собой и средой.
Структурные параметры определяются геометрическими
размерами элемента, механическими, гидравлическими,
электрическими, тепловыми и другими
величинами и измеряются
в миллиметрах, градусах, зазорах, натягах и т.д. (см. рис. 6.4)
Рисунок 6.4 - Классификация структурных параметров
134
Структурные параметры характеризуются:
а) начальными (номинальными) значениями (U
Н
);
б) предельными значениями (U
ПР
);
в) скоростью изменения параметров (V
U
).
Под начальным значением параметра понимается,
величина, которая имеет место после сборки машины на заводе
(чаще после приработки).
Под предельным значением параметра понимается такое
его значение, при достижении которого наступает отказ машины,
т.е. машина становится неработоспособной. Предельно возможное
значение параметра – это наибольшее или наименьшее значение
параметра, которое может иметь неработоспособное
изделие.
Скорость изменения параметра:
V
U
=U
ПР
-U
H
/l
ОТК
,
где ℓ
ОТК
– наработка машины до её отказа.
6.3.2 Диагностические параметры
Для оценки технического состояния машины, её узлов или
агрегатов необходимо определить текущее значение структурного
параметра и сравнить его с нормативным. Однако, в большинстве
случаев измерить структурный параметр без разборки узла или
агрегата практически невозможно.
Разборка узла с целью измерения структурного параметра
связана, во
-первых, со значительными трудовыми затратами и, во-
вторых, что наиболее важно, каждая разборка и нарушение
взаимного положения приработавшихся деталей приводит к
сокращению остаточного ресурса на 10 - 30% [15].
Учитывая вышеизложенное, в практике эксплуатации
машин, используется метод косвенных измерений. В этом случае
выбирают выходной параметр удобный для измерения и
связанный определенной зависимостью с требуемым
структурным
параметром и измеряют его. Зная взаимозависимость выходного
параметра со структурным параметром можно определить
техническое состояния машины по выходному параметру. Эти
выходные параметры, используемые для оценки технического
состояния машин, принято называть диагностическими.
Таким образом, диагностический параметр - это
физическая величина, изменяющаяся адекватно (соответственно)
135
структурному параметру, удобная для измерения и используемая
для оценки технического состояния машин.
6.4 Схема потери работоспособности машин
6.4.1 Графическая модель потери работоспособности машин
Работоспособность машины определяется её техническим
состоянием, а техническое состояние в свою очередь
структурными или диагностическими параметрами. Таким
образом, описание процесса потери работоспособности машиной в
конечном итоге сводиться к
описанию процесса изменения
параметров машины (рис.6.5).
Рисунок 6.5 – Схема взаимосвязей в машине
Параметры, характеризующие техническое
состояние машин (диагностические или структурные, далее просто
параметры) в процессе эксплуатации меняют своё первоначальное
значение, как правило, в сторону ухудшения. Часть из этих
параметров по мере увеличения времени работы меняют свои
значения в сторону
увеличения, а часть – в сторону уменьшения
(рис. 6.6).
1- возрастающая кривая; 2 – убывающая кривая.
Рисунок 6.6 – Схема изменения параметров
Работоспособность
Техническое
состояние
Параметр
136
Так, например, зазоры в сопряжённых парах (структурный
параметр) увеличиваются из-за изнашивания, а давление масла,
используемое для смазывания сопряжённых пар под давлением
(диагностический параметр), уменьшается.
Рассмотрим в качестве примера схему изменения
величины зазора в сопряжённых парах (структурный параметр),
как наиболее характерную для машин. Предположим, что после
сборки машины величина зазора
в сопряжённой паре была Uн.
При работе машины происходит изнашивание сопряжённых пар и
в результате этого зазор увеличивается. Величина зазора с
увеличением наработки будет увеличиваться, пока не достигнет
предельного значения (Uпр) и при наработке
отк
l
произойдёт
отказ трущейся пары (точка А, рис. 6.7). В данном случае отказ
рассматривается как физическое разрушение сопряжения.
Рисунок 6.7 – Схема изменения параметра
В практике эксплуатации машин, тем более сложных,
увеличение зазора в сопряжениях ещё до наступления физического
разрушения может нарушить соосность деталей, изменить какие-
то важные параметры машины, привести к большим издержкам по
устранению отказа. Учитывая это, для сопряжений,
137
подвергающихся изнашиванию, рекомендуется эксплуатировать
их не до физического разрушения (физического отказа), а до
наступления, так называемого «условного» отказа.
Под «условным отказом» понимается нахождение машины
в неисправном (предотказовом), но работоспособном состоянии.
Значение параметра при «условном» отказе принято считать
предельно-допустимым (Uпд). На рис. 6.7 условный отказ
происходит в точке «В» при наработке
на «условный» отказ
у
отк
l
.
Следует отметить, что понятие условного отказа
применимо не только для изнашиваемых элементов, но оно
применяется практически для всех элементов подвергающихся
старению.
Для определения наработки, при которой происходит
условный отказ, необходимо знать:
- характер изменения параметра характеризующего
техническое состояние машины в зависимости от наработки;
- предельно допустимое значение параметра (Uпд).
Изменение параметра
.
Характер изменения параметра в зависимости от наработки
определяется путём наблюдения за изменением параметра в
процессе эксплуатации машины. Наблюдение может быть
постоянным или периодическим. Чаще всего это периодические
(дискретные) наблюдения. Измерения величины параметра в этом
случае проводиться через определённый промежуток наработки.
На основе полученных данных строится график изменения
параметра в
зависимости от наработки (см. рис.6.8).
Предельно-допустимое значение параметра.
Под предельно-допустимым значением параметра
понимается такое его значение, при котором у машины
происходит переход её от периода нормальной эксплуатации в
период разрушения. В это время вероятность физического отказа
машины резко возрастает. Считается, что в это время машина
находится в предотказовом
состоянии, т.е. в состоянии
«условного» отказа.
138
1 – кривая, отражающая опытные данные; 2 – кривая средних значений
параметра.
Рисунок 6.8 – Модель потери работоспособности одной машиной
Для определения предельно-допустимого значения
используются как технические, так и экономические критерии.
В качестве технического критерия используется резкое
возрастание интенсивности изменения параметра, а в качестве
экономического – увеличение расходов на содержание машины.
Пределом увеличения расходов на содержание машины считается
момент, когда машину экономически выгоднее либо
отремонтировать, либо вывести из эксплуатации (списать), чем
дальше эксплуатировать.
Следует отметить, что предельно-допустимое значение
индивидуально для каждой машины. Следовательно, это
случайная величина, которая, для совокупности одноимённых
машин имеет своё распределение со своими параметрами
(
,,
ν
ср
пд
U
σ) .
Определение величины наработки на отказ.
Условный отказ машины наступает тогда, когда значение
параметра, характеризующего техническое состояние машины,
достигает предельно-допустимого значения (на рисунке 6.8 точка
А). Считается, что в этот момент машина переходит в
139
предотказное состояние и должна быть отправлена либо в ремонт,
если отказ может быть устранён, либо на списание. Величина
наработки машины в этот момент и принимается за наработку на
отказ.
Модель потери работоспособности, для совокупности
одноимённых машин.
Описанная выше модель (рис. 6.8) справедлива для одной
машины. Но в практике эксплуатации часто приходится
иметь
дело с совокупностью одноимённых машин. Например, в
большинстве автотранспортных предприятий одновременно
находиться в эксплуатации несколько автомобилей одной модели.
Рисунок 6.9 – Графическая модель потери работоспособности
парком одноименных машин
В таких ситуациях применима более общая модель потери
работоспособности совокупности одноименных машин.