авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

УДК 621.001.63(075.8)

ББК К5-02я73

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

У 91

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СЕРВИСА»

Рецензент (ФГБОУ ВПО «ПВГУС») к.т.н., доц. Бушев В. А.

Кафедра «Сервис технических и технологических систем»

Учебно-методическое пособие по дисциплине «Методы У 91 повышения работоспособности машин и их элементов» / сост.

А. В. Щипанов. – Тольятти : Изд-во ПВГУС, 2013. – 52 с.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ Для направления 151000.68 «Технологические машины по дисциплине и оборудование», профиль подготовки «Информационные «Методы повышения работоспособности машин и их элементов» системы технологических машин».

для направления 151000.68 «Технологические машины и оборудование», профиль подготовки «Информационные системы технологических машин»

Одобрено Учебно-методическим Советом университета Составитель Щипанов А. В.

© Щипанов В. А., составление, © Поволжский государственный университет сервиса, Тольятти СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….……………………...…….. ТЕМА 1. Основные показатели работоспособности……………….………...……………………….... 1.1. Показатели качества и технического уровня машин. Работоспособность машин. Показатели надежности машин……………………………….………………………………………………….……. 1.2. Основные факторы физического старения машин. Обеспечение надежности машин на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации……………………………….....…………………… Контрольные вопросы………………………………...…………………………………...….………… Литература……………………………………………………………………………………………….. ТЕМА 2. Материалы позволяющие повысить работоспособность машин…………...…..……....... Контрольные вопросы…………………………………………………………………………..………. Литература……………………………………………………………………………………………….. ТЕМА 3. Технологические методы повышения работоспособности машин……………………..... 3.1. Технологические методы повышения работоспособности машин. Механическое упрочнение деталей………………………………………………………………………………………………..….. 3.2. Термическая, химико-термическая и термомеханическая обработка деталей…………………. 3.3. Восстановление деталей машин…………………………………………………………………… Контрольные вопросы………………………………………………………………………….……..… Литература………………….……………………………………………………...…………………….. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ……………………………………………………...…………………….. Практическая работа № 1. Виды трения и изнашивания…..……………............................................. Практическая работа № 2. Материалы деталей трибосопряжений и узлов трения, их примене ние…………..……………………………………………………………..……………………..…...….. Практическая работа № 3. Выбор методов упрочнения………………………...…………………… Самостоятельная работа …………………………………..………………………..…………………... Учебно-методическое и информационное обеспечение...………………………………………..…... ВВЕДЕНИЕ Современное машиностроение развивается по пути снижения потребления энергии, топли ва, материалов и сырья, а также уменьшения трудозатрат при изготовлении машиностроительной продукции. При этом машины должны обеспечивать максимально возможную производитель ность при высоком качестве работ. Достижение столь высоких требований, обеспечение высокой работоспособности машин с учетом изменяющихся нагрузок, режимов и условий эксплуатации неразрывно связано с эксплуатационной надежностью машин, с устранением причин непредви денных отказов ее элементов. Наибольшее число отказов обусловлено износом рабочих органов и узлов трения, а также другими видами разрушений, связанных с взаимодействием сопрягаемых деталей в узлах и механизмах машины. В этой связи решение проблемы надежности машин затра гивает в основном материаловедческие и технологические аспекты.

Повышение надежности машин является значительным резервом роста эффективности производства путевых, дорожно-строительных и погрузочно-разгрузочных работ. Ее показатели связаны со всеми этапами создания машин: надежность закладывается на этапе конструирования, а затем обеспечивается соответствующими мероприятиями на этапах изготовления и эксплуата ции.

Существуют различные направления повышения надежности машин, основными из кото рых являются следующие.

Увеличение ресурса элементов конструкции в результате ее совершенствования и улучше ния качества материалов деталей посредством их термообработки, применения различных спосо бов упрочнения, износостойких наплавок и покрытий. Не менее эффективны и некоторые конст руктивные методы: уменьшение скорое ти, нагрузки, использование многослойных конструкций, полимерных и эластичных материалов, снижающих трение и массу, а также повышающих стой кость деталей и узлов к ударной нагрузке. Повысить надежность деталей и узлов особенно труд нодоступных для смазывания можно, изготавливая их из металлокерамики, получаемой методами порошковой металлургии.

Совершенствование систем смазывания элементов машин, заключающееся прежде всего в изменении вида трения и фильтрации масел, т. е. в замене сухого трения жидкостным (например, смазывание шарниров гусениц), повышении защищенности узлов трения, обеспечении герметич ности корпусов, повышении тонкости фильтрации масел в двигателях и рабочих жидкостей в гид росистемах.

Оптимизация режимов работы машин, устранение имеющихся перегрузок и контроль их технического состояния с помощью микропроцессорных устройств.

Использование модульного принципа при компоновке машины, обеспечивающего доступ ность и легкосъемность отказавших элементов.

Внедрение системы контроля за качеством проектирования, изготовления и эксплуатации машин, обусловливающей предотвращение образования различных их дефектов еще в процессе производства.



Использование наиболее совершенных методов, средств и материалов для поддержания ра ботоспособности машин в процессе эксплуатации с учетом индивидуальных особенностей каждой машины. Например, установление оптимальной периодичности выполнения различных техниче ских работ, выполнение правил замены различных конструктивных элементов и др.

ТЕМА 1. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ 1.1. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА И ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ МАШИН. РАБОТОСПО СОБНОСТЬ МАШИН. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ МАШИН Различные виды продукции можно характеризовать следующими показателями качества:

показатели назначения, определяющие свойства продукции и области её применения, а также функции, для выполнения которых она предназначена;

показатели надежности и долговечности;

показатели технологичности, характеризующие эффективность конструктивно-технологических решений для обеспечения высокой производительности труда при изготовлении и ремонте про дукции;

эргономические показатели;

показатели стандартизации и унификации, характеризующие степень использования в продукции стандартизованных изделий и уровень унификации составных частей изделия;

патентно-правовые показатели, характеризующие степень патент ной защиты из делия в России и за рубежом;

экономические показатели, отражающие затраты на раз работку, из готовление и эксплуатацию или потребление продукции, а также экономическую эффективность эксплуатации;

показатели безопасности.

Показатели качества продукции можно разделить на три группы.

Первая группа показателей определяет технический уровень изделия и включает показате ли, характеризующие его основное назначение, например, эксплуатационные показатели машин.

Показатели технического уровня, как правило, включаются в нормативно-техническую докумен тацию на изделие. Эти показатели характеризуют специфические для конкретного изделия свой ства, например: мощность двигателя, коэффициент подачи компрессора, погрешность измерения прибора и т.д., а также общие для большинства изделий свойства такие, как: надёжность, эконо мичность, эргономичность и др.

Вторая группа показателей характеризует качество изготовления изделия, например, пока затели дефектности продукции, затраты на устранение и устранение брака;

расходы на удовлетво рение претензий потребителей в связи с выявлением дефектов или недостатков в процессе экс плуатации или потребления товаров.

Третья группа показателей характеризует достигнутый уровень качества продукции, отно сящийся к эксплуатации или потреблению, например, фактические значения основных показате лей свойств изделий, заложенных при разработке и производстве. Рассмотрим основные свойства и показатели, определяющие качество изделий.

Надежность — это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах зна чения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002—89).

Надежность включает свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и со храняемости. Показателями надежности являются вероятность безотказной работы, средняя нара ботка до отказа, интенсивность отказов и др. Для измерительных приборов важна точностная на дежность, т. е. свойство сохранять точность измерения в заданных пределах в течение установ ленного времени при определенных условиях их эксплуатации.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в те чение некоторого времени и наработки. Вероятность безотказной работы Р(t) — вероятность того, что в заданном интервале времени t или в пределах заданной наработки не произойдет отказа в работе изделия.

Отказ — событие, при наступлении которого, изделие становится неспособным выполнять заданные функции с установленными показателями.

Вероятность безотказной работы определяется зависимостью P(t) = N(t) / N0, где N0 — число изделий, работающих в начале испытаний;

N(t) — число изделий, работо способных в конце промежутка времени t. Например, если N0 = 100;

N(t) = 90, то при t = 1000 ч, Р (1000) = 90/100 = 0,9.

Интенсивность отказов (t) является функцией времени. В начальный период эксплуатации выявляются дефекты конструкций, обработки деталей, сборки готового изделия, а также комплек тующих, получаемых по кооперации. В последующий период после приработки деталей и узлов интенсивность отказов наименьшая и практически не меняется — период нормальной эксплуата ции изделия. Конец периода эксплуатации характеризуется резким увеличением интенсивности отказов, что объясняется износом, необратимыми физико-химическими процессами и т.п.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системотехнического обслуживания и ремонта.

Предельное состояние изделия определяется невозможностью дальнейшей эксплуатации вследствие неустранимого нарушения требований безопасности, неустранимого снижения экс плуатационных показателей и эффективности эксплуатации или нецелесообразности его восста новления.

Показателями долговечности могут быть: назначенный ресурс, определяемый наработкой изделия, предельное состояние которого обусловлено достижением заданной наработки;

назна ченный срок службы — срок службы изделия, предельное состояние которого обусловлено дос тижением заданной календарной продолжительности использования изделия по назначению.

Наработка — это продолжительность или объем работы изделия.

На надёжность и долговечность существенное влияние оказывают динамические процессы, происходящие при эксплуатации изделия. Так вследствие недостаточной жесткости и виброустой чивости конструкции, наличия сил трения в подвижных соединениях, наличия дисбаланса, упру гих деформаций элементов, недостаточной точности изготовления и других причин при холостом и рабочем режимах работы машины возникают быстропротекающие колебательные процессы — вибрации. Вибрации нарушают оптимальную шероховатость трущихся поверхностей деталей и стойкость режущего инструмента, точность автоматических измерительных приборов. В связи с этим для каждого типа изделия устанавливают и контролируют показатели динамического качест ва.

Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддер жанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ре монта.

Сохраняемость — свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции в течение и после хране ния и транспортирования.

Эргономичность — свойство, определяющее удобство эксплуатации объекта человеком.

Эргономика (от греч. ergon — работа и nomos — закон) — область науки, занимающаяся оптимизацией взаимодействия человека с изделием и рабочей средой в трудовом процессе. Зада чей эргономики является создание оптимальных гигиенических, физиологических, психологиче ских, технических и организационных условий для производительного труда и обеспечения необ ходимых удобств, содействующих развитию способностей работника и получению высоких тех нических и качественных показателей его работы. Эргономические показатели должны быть уста новлены для каждого типа системы человек — объект — среда и отдельно для каждого объекта, входящего в данную систему. Наиболее важными из них являются удобное расположение органов управления изделием, простота его эксплуатации, обзорность рабочей зоны, гигиенические пока затели, в том числе допускаемые уровни вибрации и шума и т. д.;

для измерительных приборов — точность и надежность отсчетного устройства. Станки и другие средства производства, сконст руированные с учетом эргономических показателей в сочетании с оптимальной рабочей средой, обеспечивают наименьшее физическое и нервно-эмоциональное напряжение, малую утомляемость оператора, создают условия, при которых человек получает в процессе труда наибольшее удовле творение. Это сказывается и на производственных результатах: возможные скорости, производи тельность, точность, надежность работы средств производства и контроля используются в наи большей степени. Эргономичность программного обеспечения подразумевает удобство программ ного обеспечения, т.е. такие характеристики программного продукта, которые позволяют миними зировать усилия пользователей по подготовке исходных данных, применению программного про дукта и оценке полученных результатов, а также позволяют вызывать положительные эмоции оп ределенного или виртуального пользователя.

Эстетические показатели определяются эстетическим восприятием объекта: дизайном, цве товой гаммой, музыкальным сопровождением и т.д. Работы по промышленной эстетике в настоя щее время развиваются в направлении создания систем и комплексов изделий, средств производ ства и предметов окружающей среды, хорошо согласованных и совместимых как функционально, так и с точки зрения гармонии и удобства работы. Программа работы дизайнеров охватывает не только выпускаемую продукцию, но и рабочие места, мебель, рабочую одежду, территорию и по мещения заводов и другие объекты. Одно временно проводится унификация размеров, формы, ма териалов, составных частей приборов: несущих элементов, тумблеров, рукояток, кнопок, шкал, стрелок и других элементов, что позволяет сократить номенклатуру составных частей и получать их по кооперации со специализированных предприятий.

Показатели технологичности характеризуют трудоемкость, материалоемкость и себестои мость изделия.

Показатели стандартизации и унификации характеризуют соотношение продукции стан дартными, унифицированными и оригинальными деталями, сборочными единицами, комплектами и комплексами.

Показатели безопасности устанавливают требования по защите чело века в условиях ава рийной ситуации, вызванной случайными нарушениями правил, изменением условий и режимов эксплуатации или потребления.

Экологические показатели устанавливают требования по защите окружающей среды.

Показатели транспортабельности включают вопросы упаковки, герметизации, крепления, погрузки, разгрузки, распаковывания и т. п., а также материальных и трудовых затрат на выполне ние этих операций.

Патентно-правовые показатели применяются при определении конкурентоспособности продукции.

Работоспособность машин в первую очередь зависит от скорости изменения параметров их технического состояния, от стабильности и продолжительности сохранения их значений в задан ных допустимых пределах. Превышение хотя бы одним структурным параметром предельного значения означает нарушение исправности или работоспособности машины. Как обеспечить вы сокую работоспособность машины? Наиболее перспективный и радикальный путь обеспечения высокой работоспособности — это улучшение физико-механических свойств материалов и конст рукции трущихся деталей. Этот путь реализуют на этапе проектирования, разработки и изготовле ния машины.

Применение износостойких материалов, точная обработка деталей, создание условий, уменьшающих изнашивания деталей (использование улучшенных уплотнений, фильтрующих элементов, высококачественных смазочных материалов и рабочих жидкостей), кардинально сни жают скорость изнашивания поверхностей трения,- изменения параметров технического состоя ния машин, увеличивают ресурс составных частей, сокращают число их отказов, а значит трудо емкость и продолжительность ремонтов и технического обслуживания.

Другой путь обеспечения работоспособности машин заключается в применении оптималь ных допускаемых значений параметров и периодичности технического обслуживания и ремонта, в качественном выполнении всех операций обслуживания, в повышении степени восстановления параметров при ремонте, в предупредительной Замене при этом деталей, могущих отказывать в предстоящий период работы. В результате увеличивается наработка между отказами, уменьшается средняя скорость изменения;

параметров состояния машины. Эти мероприятия проводят на этапе технической эксплуатации машин при их техническом обслуживании и ремонте.

Третий путь обеспечения работоспособности заключается в правильном высококвалифици рованном - использовании машин в процессе работы.

Описанные пути обеспечения высокой работоспособности разнесены по времени. Первый путь, как отмечалось, используют при проектировании и производстве машины, второй путь — при техническом обслуживании и ремонте, третий — при работе машины по назначению.

Работоспособное состояние (работоспособность) — состояние фактора (машины), при ко тором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пре делах, установленных нормативно-технической документацией.

Заданными параметрами могут быть мощность, расход топлива или масла я др.

Неработоспособное состояние (неработоспособность) — состояние машины, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего способность выполнять задан ные функции, не соответствует требованиям, установленным нормативно-технической докумен тацией, Исправное состояние (исправность) — состояние машины, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией.

Неисправное состояние (неисправность) — состояние, при котором машина не соответст вует хотя бы одному из требований, установленных нормативно-технической документацией.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособности.

Наработка — продолжительность или объем работы машины.

Наработку можно измерять в часах, километрах, гектарах и других единицах. В процессе эксплуатации различают суточную или сменную, месячную, годовую наработку, наработку до первого отказа или между отказами, межремонтную и т. п.

Технический ресурс (ресурс) – наработка автомобиля от начала эксплуатации или ее возоб новления после капитального ремонта до наступления предельного состояния.

Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации машины от ее начала или возобновления после капитального ремонта до наступления ремонтного состояния. Нельзя путать срок службы с ресурсом. Например, ресурс двух машин одной марки одинаков, а срок службы их будет разным, если одна из них будет работать в две смены, а другая в одну.





Показатели надежности. Для оценки надежности машины используются единичные и ком плексные показатели надежности.

Единичные показатели надежности следующие.

Вероятность безотказной работы, наработка на отказ, средняя наработка до отказа, интен сивность отказов и параметр потока отказов этими показателями оценивают безотказность работы объекта.

Гамма-процентный ресурс (срок службы), средний ресурс (срок службы), средний ресурс (срок службы) между капитальным ремонтом и средний ресурс (срок службы) до списания служат для оценки долговечности.

Гамма-процентный ресурс (или срок службы) — это наработка (или календарная продол жительность эксплуатации), в течение которой (которого) эта машина не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью у процентов.

Вероятность восстановления в заданное время и среднее время восстановления работоспо собности машины — показатели для оценки ремонтопригодности.

Средний срок сохраняемости и гамма процентный срок сохраняемости — единичные пока затели сохраняемости. Последний показывает срок сохраняемости, который будет достигнут ма шиной с заданной вероятностью у процентов.

Для более полной, оценки надежности применяют комплексные показатели — такие, как коэффициенты готовности, технического использования, оперативной готовности, средние сум марные и удельные суммарные трудоемкости и стоимости технического обслуживания и ремонта.

Единичные и комплексные показатели надежности определяются опытным путем. Для это го в заданных условиях или зонах страны проводят испытания большой партии с фиксацией всех показателей (наработки, отказов, неисправностей и т. д.). После математической обработки опыт ных данных получают количественные значения необходимых показателей.

В практических условиях наиболее часто.определяют коэффициенты готовности и техни ческого использования.

Коэффициент готовности Кг — это вероятность того, что машина окажется работоспособ ной в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых его ис пользование по назначению не предусматривается. Этот коэффициент характеризует одновремен но два различных свойства — безотказность и ремонтопригодность. Количественно коэффициент готовности определяют по формуле:

Кr=(То +Тв) /То, где То — среднее время безотказной работы за определенный период (наработка на отказ);

Тв — среднее время, затраченное на восстановление работоспособности машины за этот же период экс плуатации, т.е. среднее время на отыскание и устранение отказов.

Коэффициент технического использования Ки определяют отношением суммарного време ни пребывания испытываемых машин в работоспособном состоянии (суммарной наработки) за определенный период эксплуатации к сумме этой наработки, и времени простоя, затраченного на техническое обслуживание и ремонт за тот же период эксплуатации.

Коэффициент технического использования определяют по формуле:

Ки=(T сум +Tрем+Tобс)/ T сум, где Tсум— суммарная наработка всех объектов;

Tрем — суммарное время простоев из-за плано вого и внеплановых ремонтов всех объектов;

Tобс — суммарное время простоев из-за планового и внепланового технического обслуживания всех объектов.

Коэффициент технического использования наиболее полно характеризует надежность ма шины, так как учитывает затраты времени в процессе проведения технического обслуживания, ремонта и устранения отказов всех видов.

Практика показывает, что капитально отремонтированные автомобили имеют надежность ниже новых. Поэтому испытания для определения показателей надежности проводят раздельно с группой новых машин и капитально отремонтированных, а также раздельно по машине каждой марки. Показатели будут тем достовернее, чем больше машин будет в группе.

1.2. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ФИЗИЧЕСКОГО СТАРЕНИЯ МАШИН. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МАШИН НА ЭТАПАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКС ПЛУАТАЦИИ В процессе эксплуатации машины со временем под действием разнообразных факторов происходит ухудшение её функциональных и других свойств (т.е. старение машины) вплоть до момента, когда она становится непригодной для дальнейшего использования по назначению.

Различают две формы старения:

1) моральное старение, которое состоит в том, что со временем технико-экономические характеристики машины становятся хуже исходных, которыми она располагала на момент посту пления потребителю;

2) физическое старение, которое является результатом воздействия на машину и её элементы температуры, окружающей среды, механических нагрузок и радиации.

Основной причиной морального старения является появление на рынке более совершенных машин, обеспечивающих повышение технико-экономических и других показателей.

Следует отметить, что моральное старение не вызывает отказа машины в отличие от физического старения.

Именно физическое старение, обусловленное воздействием на машину упомянутых факто ров, является причиной отказов, т.е. переходов машины в неработоспособное состояние.

Физическое старение (ФС) является результатом воздействия времени, окружающей среды и механических нагрузок, радиации и др.

Вследствие ФС наблюдается ухудшение технических характеристик (точности, быстродей ствия, экономичности, безопасности). Критерием физического старения является, как правило, по казатель технического состояния, поддающийся контроля, например, расход топлива в единицу времени, уровень шума и вибрации, состав выбрасываемых в атмосферу вредных веществ и др.

Именно физическое старение способствовало возникновению ремонтного производства.

Оно (ФС) сдерживается современными техническим обслуживанием и ремонтом.

Нарушение работоспособности машины и её элементов регламентируются нормативно технической документацией. Причины нарушения работоспособности и перехода машины в нера ботоспособное состояние могут быть самыми разными. Для выявления причин возникновения от казов и их влияния на надёжность машин, отказы целесообразно классифицировать по ряду ос новных признаков.

По критерию отказы разделяют на функциональные и параметрические. Отказ функциони рования приводит к частичному или полному прекращению выполнения функций элементов или машины в целом. Очень часто отказ функционирования связан с поломками деталей или узлов машины.

Параметрический отказ приводит к выходу значений параметров или характеристик маши ны или её элементов за допускаемые пределы. Как правило, подобные отказы не ограничивают возможности функционирования машины, но исходя, из требований нормативно-технической до кументации машина считается, неработоспособной.

По причинам возникновения отказы разделяют на конструкционные, технологические и эксплуатационные. Конструкционные отказы могут быть обусловлены ошибками на этапе конст руирования. К ним относятся непродуманная (неудачная) конструкция сборочной единицы, не верно подобранная посадка в подвижных и неподвижных соединениях, ошибочно выбранный ма териал, несоответствие расчётных данных по прочности и износостойкости деталей и узлов маши ны нагрузочным режимам при эксплуатации.

Технологические отказы связаны с нарушениями требований технологии на этапе изготов ления машины. К ним можно отнести дефекты в материале деталей, необнаруженные контролем нарушения центрирования и соосности, параллельности и перпендикулярности осей при механи ческой обработке деталей;

несоблюдение условий химико-термической, термической и другой об работки деталей;

отступления от технических условий сборки сборочных единиц и машины в це лом и др.

Эксплуатационные отказы могут быть обусловлены нарушением режимов работы или пра вил эксплуатации машины. Это могут быть проявления нагрузок, превышающих установленные пределы, невысокий уровень технического обслуживания, ошибочный выбор горюче-смазочных материалов, низкое качество запасных частей и др.

Конструкционные и технологические отказы выявляются в основном в приработочный пе риод. Об этом свидетельствует график зависимости потока отказов (среднего числа отказов (t) за единицу времени) от времени наработки, представленный на рисунке 2.1. Видно, что в период приработки поток отказов достаточно высок, затем на участке, соответствующем периоду нор мальной эксплуатации, он практически не меняется, а затем при t tэкспл поток резко возрастает из-за резкого увеличения износа деталей в узлах трения машины, что делает её эксплуатацию не рациональной.

По условиям возникновения и развития отказы разделяют на внезапные и постепенные.

Наиболее опасными для машины являются внезапные отказы, которые характеризуются резким (скачкообразным) ухудшением одного или нескольких параметров машины. Как правило, они возникают в результате случайного внезапного воздействия внешних факторов, превышаю щих допустимые нормы, или грубых нарушений условий эксплуатации (ударов, перегрузок, поло мок и прочее). Вследствие этого элементы машины теряют свои свойства, необходимые для нор мальной эксплуатации машины, или же разрушаются.

Постепенные отказы характеризуются постепенным ухудшением одного или нескольких параметров машины, обусловленного процессами старения деталей, узлов и элементов машины.

Как правило, развитие постепенных отказов можно предупредить с помощью системы техниче ского обслуживания и ремонта машины.

В основе нарушений работоспособности машин, в основе их физического старения лежат процессы изнашивания поверхностей деталей и узлов машин, а также процессы изменения свойств материалов деталей, конструкции и узлов машин при их эксплуатации.

Изнашивание (износ) – это процесс постепенного изменения геометрических размеров и формы элементов машины (рабочих органов, ходового оборудования, сопряженных деталей и др.) при трении.

Трение и износ оказывают существенное влияние на надёжность машины. С потерями на трение связано значительное повышение энергоёмкости работ, а также существенное ухудшение энергетических характеристик различных машин. При эксплуатации отказы машин, связанные с изнашиванием ее деталей и элементов, более часты, чем отказы, обусловленные потерей прочно сти. Во многом это связано со спецификой проектирования отечественных машин: как правило, ответственные детали машин обязательно рассчитывают на прочность, но ни одно подвижное со пряжение не проверяют на износостойкость. В лучшем случае возможность влияния износа на прочность и долговечность сопрягаемых деталей закладывается на стадии проектирования в виде коэффициентов, увеличивающих запас их прочности.

Такой подход объясняется сложностью механических, физических и химических явлений при трении, и отсутствием четких (математически выверенных) зависимостей характеристик тре ния и износа от различных факторов (технологических, конструктивных, материаловедческих, эксплуатационных).

Вместе с тем, проблема трения и изнашивания является одной из ведущих в машинострое нии. Ей уделяется большое внимание, как на исследовательском уровне, так и на практике. Мно гие параметры трения стандартизированы ещё в советские времена (ГОСТ 27674 – 88). Различают трение скольжения, трение качения и трение качения с проскальзыванием. К основным характери стикам трения относятся коэффициент трения и скорость скольжения (разность скоростей деталей в точках их касания в подвижном сопряжении). К основным характеристикам изнашивания отно сятся скорость изнашивания (отношение массового, линейного или объёмного износа ко времени) и интенсивность изнашивания (отношение износа к пути трения). Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию называют износостойкостью.

При трении скольжения скорости контактирующих деталей в точках касания могут разли чаться по величине и направлению, по величине или по направлению. Этот вид трения связан с максимальным износом сопряженных деталей и наибольшей энергоёмкостью процесса трения. В частности червячная пара, в которой реализовано трение скольжения, имеет наименьший К.П.Д. ( 0,75) из всех зубчатых передач. Вместе с тем, в машинах используют положительный эффект трения скольжения, а именно возможность реализации больших сил трения при относительно ма лых нормальных силах. Например, этот эффект используют в тормозных системах, в фрикцион ных передачах и др.

При трении качения скорости контактирующих деталей одинаковы и по величине, и по на правлению. Этот вид трения имеет наибольшее распространение в машинах в связи с минималь ным износом деталей и низкой энергоёмкостью процесса.

При трении качения с проскальзыванием перемещение деталей осуществляется одновре менно с качением и скольжением. Этот вид трения реализуется в различных парах трения, по скольку по энергетическим характеристикам и износу занимает промежуточное положение между трением скольжения и трением качения. В частности, трение качения с проскальзыванием, кото рое реализовано в зубчатых (цилиндрических, конических) передачах, обеспечивает значительно меньшие потери на трение по сравнению с червячной передачей.

Вместе с тем, вид трения не является постоянной характеристикой узла трения. Даже для правильно сконструированного и изготовленного узла трения в зависимости от многих эксплуата ционных факторов вид трения может меняться и, как правило, его изменение сопровождается снижением или потерей работоспособности узла. Можно привести несколько примеров. При за грязнении подшипников качения трение качения переходит в трение скольжения их промежуточ ных тел (роликов или шариков) по поверхности одного из колец или в трение скольжения под шипника по поверхности гнезда.

Большое влияние (как отрицательное, так и положительное) оказывает на работоспособ ность узлов трения наличие смазочного материала в зоне трения.

Если для узлов трения, таких как зубчатые и цепные передачи, подшипники качения и скольжения и прочее, планируется (на этапе проектирования узла) их смазывание смазочными ма териалами, то отсутствие или ограничение смазки может вызвать резкое увеличение коэффициен та трения и интенсивный износ сопряженных деталей вплоть до выхода из строя узла. Как прави ло, в таких узлах реализуют режим граничной смазки, который характеризуется наличием на кон тактирующих поверхностях тонкой масляной пленки.

Многие узлы трения (пары колесо-рельс, ролик-лента, шкив-лента и др.) должны эксплуа тироваться без смазки, поскольку передача движения между элементами пары осуществляется за счёт сил трения. Поэтому попадание в сопряжение смазочного материала резко ухудшает работо способность узла. Аналогичный отрицательный эффект имеет место при попадании смазки в ра бочую зону тормозных устройств традиционного типа.

Трение в многочисленных сопряжениях узлов и механизмов машин, фрикционное воздей ствие разрабатываемых материалов на элементы рабочих органов и ходовых устройств приводят к их износу, что сопровождается снижением работоспособности машины в целом, вплоть до дости жения предельного состояния.

Износ является сложным процессом, зависящим от многих внешних и внутренних факто ров. Из многочисленных видов износа наиболее часто на практике встречается механическое из нашивание, которое в свою очередь разделяют на абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, усталостное и кавитационное изнашивание. Следует отметить, что это разделение в известной мере условно, поскольку на практике чаще всего встречается комбинация различных видов изнашивания. Тем не менее, основными видами изнашивания деталей и узлов при эксплуа тации машины в нормальных условиях (не экстремальных) являются абразивное и усталостное изнашивание.

Наибольшему износу подвергаются поверхности элементов рабочих органов машин, кото рые взаимодействуют с перерабатываемым или разрабатываемым материалом, а также элементы ходового оборудования. Эти элементы в основном подвергаются абразивному изнашиванию, что влечет за собой существенное (на 50…100 %) повышение энергоемкости рабочего процесса.

Совершенно иное влияние оказывает износ деталей силовых передач и других сопряжений на работоспособность машины. При увеличении износа деталей в подвижных сопряжениях растут зазоры, вызывая усиление динамических нагрузок, ухудшение условий смазывания в зоне трения и в конечном итоге выход из строя узла трения.

При анализе трения и изнашивания в подвижных сопряжениях следует различать базовые (пассивные) и активные детали. Базовые детали сборочной единицы, к которым относятся корпу сы различных редукторов и коробок передач, конструкционные и другие элементы машин, служат для удержания активных деталей в требуемом положении и воспринимают возникающие нагруз ки. Их старение проявляется, как правило, в изменении положения в пространстве опорных по верхностей, в короблении привалочных поверхностей и прочее. Как правило, наработка базовой детали сборочной единицы до предельного состояния является планируемой межремонтной нара боткой самой сборочной единицы.

Долговечность активных деталей, подвергающихся изнашиванию, значительно ниже, чем базовых, поскольку активные детали воспринимают и передают крутящие моменты, другие сило вые нагрузки, циклические напряжения и прочее. Рабочие поверхности этих деталей (валов и осей, зубчатых колёс, поршней и цилиндров и др.) находятся во фрикционном взаимодействии с рабо чими поверхностями других деталей, работая в условиях переменных механических нагрузок.

Как уже отмечалось, износ является сложным процессом, на который оказывают влияние механические, физические и химические факторы, сопровождающие трение элементов сопряже ний. Для прогнозирования величины износа деталей в узлах трения машин важно знать характер зависимости износа от времени наработки, т.е. динамику процесса износа.

В настоящее время накоплен довольно обширный банк данных по конкретным узлам тре ния и влиянию на износ наиболее существенных конструктивных, технологических и эксплуата ционных факторов. Это позволяет решить ряд практических задач с помощью метода аналогий.

Кроме того, при оценке ресурса и работоспособности узла трения ответственной задачей является установление предела допустимой величины износа детали. Важность поиска оптимальной вели чины предельного износа обусловлены с одной стороны неоправданным уменьшением срока службы деталей при ее занижении, а с другой – повышение текущих затрат за счет увеличения аварийных ремонтов при завышении. Следует отметить, что в настоящее время имеется несколько критериев оценки величины предельного износа в зависимости от вида узла трения и типа сопря жения: по потере прочности детали, по нарушению зацепления деталей в передаче, по потере под вижности в шарнирных соединениях и др.

Помимо изнашивания поверхностей деталей и элементов узлов машин, старение выражает ся в снижении исходных показателей деформационной способности и прочностных характеристик материалов, из которых они изготовлены, и возникновению отказов. Воздействие внешних факто ров (нагрузок, среды, температуры и прочее) приводит к необратимым изменениям структуры и свойств материалов, что в свою очередь отражается на работоспособности деталей и элементов из них.

Наиболее существенным фактором, влияющим на отказы деталей и элементов машин, яв ляются силовые нагрузки, которые вызывают необратимые изменения физико-механических ха рактеристик материалов.

Мало заметными, но весьма ощутимыми по своему воздействию на материалы являются усталостные явления, протекающие в материалах деталей, которые подвергаются циклическим нагрузкам. Усталостью материала называют процесс накопления повреждений под действием пе ременных напряжений. Если эти напряжения периодически превышают определенную для данных условий величину (предел выносливости), в материале постепенно накапливаются микротрещины, которые, развиваясь и ослабляя сечение, вызывают появление трещин недопустимых размеров или полное разрушение детали или конструкции.

Помимо усталостных разрушений при эксплуатации машин отказы их деталей и элементов могут возникать по другим причинам. Для ряда материалов, из которых изготавливают детали и элементы машин, наиболее значимым фактором отказа являются хрупкие разрушения. Хрупкие разрушения могут быть основной причиной выхода из строя деталей из хрупких материалов при воздействии больших динамических (чаще ударных) нагрузок. Кроме того, для ряда конструкци онных сталей (с примесями азота) в условиях эксплуатации при низких температурах происходит так, называемое низкотемпературное охрупчивание. При эксплуатации машин в условиях повы шенной радиации имеет место радиационное охрупчивание, резко снижающее долговечность де талей и узлов машины.

Низкотемпературное и радиационное охрупчивание является одной из основных причин выхода из строя конструкций и деталей, изготовленных из большинства полимерных композици онных материалов. В условиях низких температур (Т – 40о С) и повышенного уровня радиации полимерные матрицы композиционных материалов теряют пластичность и становятся хрупкими, что существенно ограничивает их применение в узлах машин.

При высоких длительных нагрузках (или даже перегрузках) у деталей и конструкций из пластичных материалов, могут наблюдаться пластические деформации, которые могут причиной отказа металлоконструкций машин. Эффект ползучести, который представляет собой процесс не прерывной пластической деформации, протекающей с малой скоростью при длительном нагруже нии, может быть причиной отказа конструкций из незакаленных и высокоотпущенных сталей, а также из композиционных материалов на основе термопластичных полимерных матриц.

Как уже отмечалось, одной из основных причин преждевременного выхода из строя дета лей и конструкций машин являются коррозионные процессы, протекающие в материалах под влиянием окружающей среды. Особенно существенную роль может оказать коррозия в сочетании с другими факторами воздействия на материалы деталей и конструкций. В частности, резкое сни жение работоспособности и сохранении ресурса машин вызывает воздействие на сопряжение де тали в узлах трения абразивно-агрессивных сред.

Старение полимерных материалов – совокупность физических и химических процессов, про текающих в полимерном материале, приводящих к изменению его состава и структуры под дей ствием влияющих факторов. Объекты исследования старения – полимеры, полимерные материалы и покрытия, изделия из них, детали машин, оборудования, сооружений.

Полимеры – высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого чис ла одинаковых или чередующихся группировок, соединенных химическими связями.

Полимерные материалы состоят из полимеров и добавок и характеризуются совокупностью свойств. Полимерные покрытия – пленки из полимерных материалов на поверхностях изделий. По лимерные изделия – изделия из полимерных материалов (детали, узлы), имеющие определенную форму и способные выполнять необходимые эксплуатационные функции.

Совокупность факторов, действующих на полимерные материалы и покрытия объекта, в про цессе производства, хранения и эксплуатации определяет условия старения.

Факторы, влияющие на стабильность полимеров, как и при исследовании процессов корро зии, можно условно разделить на внешние, эксплуатационные (связанные с влиянием среды и на грузок) и внутренние или факторы состояния полимеров (определяемые химическим составом, строением, особенностями структуры и фазовым состоянием, молекулярной массой, силами меж молекулярного взаимодействия, деформационными, реологическими и другими свойствами), а также конструктивно-технологическими факторами (характеризующими особенности конструктивного и технологического изготовления изделий).

Кроме этого, следует учитывать свойства полимера (плотность, свето-, влаго-, тепло-, био химическую стойкость, прочность), определяющие стойкость его к факторам среды. Ниже приве дена классификация факторов по указанным группам.

Старение полимерных материалов – сложное явление, сопровождающееся рядом процессов, которые в зависимости от условий эксплуатации конструкций техники и сооружений и воздейст вующих факторов среды могут оказывать решающее влияние на прочностные и другие характери стики деталей.

Деструкция – процесс, протекающий с разрывом химических связей в основной цепи макро молекул и приводящий к уменьшению молекулярной массы. Это основной процесс старения, он сопровождается реакцией распада макромолекул, происходящей с разрывом основных цепей мак ромолекул – деполимеризации, последовательного отщепления молекул мономера от концов мак ромолекул.

Структурирование – процесс образования новых связей между макромолекулами и свобод ными радикалами, тоже сопровождается изменением структуры и молекулярной массы полиме ров.

Сшивание – образование поперечных химических связей между макромолекулами;

поли мераналогичная реакция – превращение группы атомов макромолекулы при сохранении исходной степени полимеризации;

изменение надмолекулярной структуры – перестройка физической струк туры, характеризуемая различными видами взаимного упорядочения макромолекул.

Кристаллизация – фазовый переход I рода, приводящий к пространственному упорядоче нию макромолекул в полимере.

Полиморфное превращение – фазовый переход I рода одной кристаллической модификации макромолекул полимерного материала в другую.

Аморфизация – фазовый переход I рода, приводящий к пространственному разупорядоче нию макромолекул в полимере. В обобщенном виде эти процессы можно рассматривать как релак сационное явление в полимерах, т. е. изменение физического состояния объектов старения во вре мени, обусловленное установлением термодинамического равновесия.

Сопутствуют старению полимеров процессы сорбции (поглощение вещества полимером) или десорбции (удаление вещества из полимера).

При наличии внешних или внутренних напряжений в полимере происходит ориентация, т.

е. перестройка структурных элементов, приводящая к преимущественному расположению осей макромолекул в направлении действующих сил. Многократные циклические нагружения приводят к изменению свойств полимера – явлению, называемому усталостью. Нарастание деформации во времени под действием постоянного напряжения может привести к явлению ползучести. При недос таточности пластичности (упругости) происходит нарушение сплошности полимера в массе или на поверхности, в обоих случаях наблюдается процесс образования трещин. Конечным результатом может быть разрушение объекта старения, т. е. потеря целостности под действием механического напряжения.

По характеру протекания процесса различают три типа старения: равномерное, протекаю щее с одинаковой скоростью во всем объеме материала;

неравномерное, протекающее с различной скоростью в различных участках материала;

избирательное, характерное для многокомпонентных полимерных материалов, где изменения компонентов происходят с различными скоростями, С учетом влияния среды и эксплуатационных факторов старение подразделяют на следую щие виды: при воздействии механических нагрузок;

радиационное;

термическое, вызванное дейст вием повышенной температуры;

световое, в результате воздействия света (ультрафиолетовой и видимой части спектра);

химическое, под действием химических реагентов;

окислительное, под действием кислорода и других окислителей (частный вид химического старения);

биологическое, в результате воздействия микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности;

электрическое;

аб ляция (при воздействии потоков газа, твердых частиц и высокой температуры);

старение в космо се, в водной и влажной среде, при контакте с живыми организмами (животными и человеком);

в почве и грунте;

в искусственных условиях, имитирующих естественные, с целью моделирования или ускорения процессов старения;

многофакторные.

Процессы старения различают:

по механизму – химические процессы: деструкция (беспорядочная, цепная);

сшивание;

смешанное;

поли мераналоговые превращения и внутримолекулярная циклизация.

– физические процессы: фазовые превращения;

стеклование;

сорбционно-диффузионные процессы;

релаксация и остаточные напряжения;

изменение надмолекулярной структуры.

по условиям процесса – атмосферное: климатическое (открытый воздух);

складское (хранилище).

– подземное: почвенное;

грунтовое.

– космическое: световое;

радиационное.

по вкладу фактора – однофакторное: окислительное (кислородное, озонное);

термическое (длительное, равно мерное, циклическое);

радиационное (естественное, искусственное);

световое (видимый спектр, ультрафиолетовое излучение);

химическое (кислотное, щелочное, специфические загрязнения);

биологические (грибы, бактерии, другие микроорганизмы);

механическое (внешние нагрузки, внутренние нагрузки, ультразвук, трение);

электрическое (прямое, наведение тока);

влажностное (набухание, проникновение, гидролиз).

– многофакторное комбинированное: в эксплуатации (климатическое);

имитационное (для моделирования, для интенсификации);

специфическое (абляция: поток газа, поток твердых частиц и высокой температуры) и (воздействие продуктов коррозии).

Старение полимеров при эксплуатации изделий и сооружений происходит в основном за счет процессов деструкции макромолекулярных цепей, в результате чего образуется значительное число низкомолекулярных фракций, снижается средняя молекулярная масса и расширяется спектр моле кулярно-массового распределения. Процесс деструкции можно условно разделить на две группы:

беспорядочная деструкция и цепная деструкция.

Наибольший объем занимают процессы атмосферного старения полимеров в результате влияния таких факторов, как свет, воздух, влага, температура и др. Значительный вклад в эффект повреждаемости вносит фактор света. При изучении процесса атмосферного старения необходимо учитывать климатические и эксплуатационные факторы (колебание температуры, влажности, све тового потока, содержание озона, ограничение обмена воздуха, изолированные пространства и т.

п.). Учет этих факторов, а главное, оценка их значимости и количественного вклада в процесс ста рения представляет определенную трудность. Правильность проведения этого этапа исследования будет в дальнейшем влиять на результаты оценки эффектов повреждаемости, выбор и оптимиза цию методов защиты.

Принципиально исследования значимости факторов для учета их в моделях процесса старе ния полимеров, а также для оценки повреждаемости аналогичны исследованиям по проблеме кор розии. Однако проведение эксперимента специфично. Особенное значение имеют при этом пра вильно налаженные испытания в природных условиях. Должна быть также тщательно разработана методология исследований, проводимых в реальных условиях эксплуатации конкретных конструк ций с системным сбором и обобщением соответствующей информации о процессах старения поли меров в узлах и агрегатах и возникающих эффектах повреждаемости. Лабораторные исследования целесообразны для предварительной оценки характера старения перспективных материалов, а ус коренные испытания для сравнения кинетики процесса по математическим моделям, рекомендуе мым в условиях эксплуатации.

Старение полимеров – проблема, возникшая с появлением и применением этих материалов в технике. Номенклатура и объем использования их в конструкциях машин, оборудования и соору жений продолжают расти. Как показал опыт эксплуатации, на полимерные материалы оказывают влияние факторы среды, инициируя процессы деструкции и структурирования молекулярных це пей.

Процессы деструкции, приводящие к распаду молекулярных цепей и образованию продуктов со значительно пониженной молекулярной массой или низкомолекулярных веществ, протекают в полимерах под воздействием тепла, света, излучений высоких энергий, кислорода, озона, механи ческих напряжений.

Процессы деструкции могут быть использованы в исследовательско-аналитических целях, если протекают до образования мономеров, характеризуемых определенной молекулярной массой.

Таким путем определяется состав и строение полимера. Деструкция при воздействии известных факторов (температура, давление, кислород воздуха) используется для производственно технологических целей при пластификации полимеров, при получении блок-сополимеров и приви тых сополимеров из смесей нескольких полимеров или полимеров с мономерами. В условиях экс плуатации и хранения техники деструкция – процесс нежелательный, ухудшающий физико-ме ханические свойства полимеров. Деструкция приводит к резкому снижению прочностных свойств полимера и появлению текучести при низких температурах.

При воздействии перечисленных факторов могут также протекать процессы укрупнения макромолекул за счет глубокого сшивания молекулярных цепей. Эти процессы приводят к появле нию хрупкости, жесткости, растрескивания полимерных материалов и покрытий.

Таким образом, старение полимеров ведет к ухудшению механических свойств и снижению работоспособности деталей машин, оборудования и сооружений, необратимым эффектам повреж дения конструкций, вызывающим отказы.

Сложность проблемы старения состоит в том, что химическая природа полимеров различна, поэтому и механизмы процессов деструкции и структурирования молекулярных цепей не идентич ны. Различие в природе и химических свойствах мономерных звеньев полимерных материалов на столько велико, что влияние факторов среды становится неоднозначным. Незначительное измене ние в структуре, появление новой функциональной группы или ингредиента может резко изменить стабильность полимера. Такие же колебания стабильности полимеров возможны при изменении факторов среды (температуры, влажности, загрязнения поверхности и т. п.).

Сложность проблемы старения заключается и в том, что практически отсутствуют методы исследования этого явления в комплексе при учете нескольких наиболее значимых факторов из приведенных выше и критерии оценки эффектов повреждения, вызываемых процессами деструкции и структурирования в условиях эксплуатации машин, оборудования и сооружений.

Следует учитывать, что полимеры в конструкциях изделий используют совместно с метал лами, как в качестве пластмассовых деталей машин, так и в качестве покрытий. Продукты деструк ции полимеров обычно стимулируют процессы коррозии и биоповреждений, которые в свою оче редь могут интенсифицировать старение полимеров.

В реальных условиях эксплуатации или хранения изделий действуют одновременно много факторов, что значительно усложняет изучение явления старения полимерных материалов и разра ботку методов их защиты.

Контрольные вопросы 1. Какие показатели качества продукции существуют? На какие группы их можно разделить?

2. От чего зависит работоспособность машин?

3. Какие комплексные показатели применяются для оценки надежности?

4. Что такое старение и какие его формы различают?

5. Какие существуют механизмы старения полимеров?

6. Что такое процессы деструкции?

ЛИТЕРАТУРА 1. Романович, Ж. А., Скрябин, В. А., Фандеев, В. П., Цыпин, Б. В. Диагностирование, ре монт и техническое обслуживание систем управления бытовых машин и приборов [Текст] : учеб.

для вузов по направл. "Технол. машины и оборуд.", спец. "Быт. машины и приборы".-М.:Дашков и К, 2009.-208с.

2. Надежность технических систем: учебник для студентов высших учебных заведений / В.Ю. Шишмарев. – М.: Издательский центр «Академия», 2010.-304с.

3. Основы теории надежности и диагностика: учебник для студентов высших учебных заве дений / Н.Я. Яхьяев, А.В. Кораблин. – М.: Издательский центр «Академия», 2009.-256 с.

4. Основы теории надежности: учебное пособие для студентов вузов / А.М. Половко, С.В.

Гуров. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006.-702с.

ТЕМА 2. МАТЕРИАЛЫ ПОЗВОЛЯЮЩИЕ ПОВЫСИТЬ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ МАШИН Работоспособность машины во многом зависит от материалов, из которых изготовлены дета ли входящие в нее.

Большая часть деталей изготавливается из различных металлов и сплавов.

В качестве конструкционных и триботехнических материалов в основном используют спла вы чёрных и цветных металлов, достоинства которых общеизвестны. Вместе с тем, с помощью ме таллических материалов невозможно решить все проблемы, которые ставят перед материаловеде нием современное машиностроение, особенно в плане ресурсосбережения.

Во многом снижение материало- и энергоёмкости техники, обеспечение экологической чис тоты машиностроительного комплекса связаны с разработкой и эффективным использованием композиционных материалов (композитов) на основе полимеров, а так же с объёмами производст ва и потребления изделий из них. Отметим, что это направление современного материаловедения – композиционные материалы на основе полимеров и изделия из них – отнесено к единому из приоритетных направлений развития науки и техники.

Итак, композиционные материалы – это материалы сложного состава, состоящие из двух и более разнородных компонентов с границей раздела между ними. Компонент, непрерывный по всему объёму композиционного материала и обеспечивающий его монолитность, называют мат рицей. Компоненты, распределённые в матрице, называют наполнителями.

Матрицу на стадии подготовки и изготовления материала называют связующим. Связующее означает полимерный состав, предназначенный для получения полимеров, который содержит (в зависимости от свойств полимера как основного компонента) различные модифицирующие до бавки технологического назначения, обеспечивающие или облегчающие процесс получения ком позита. К ним относятся пластификаторы, катализаторы, растворители, ускорители отвердителя, антиоксиданты и другие добавки, которые обеспечивают жизнеспособность связующего, его вяз кость, смачивающую способность и другие технологические характеристики.

В матрице на границе её раздела с наполнителем располагаются переходные слои, которые имеют структуру, отличную от структуры матрицы в объёме, и могут играть существенную роль в обеспечении свойств композитов.

Композиционные материалы классифицируют по ряду основных признаков.

По назначению различают композиты конструкционного, триботехнического, электротехни ческого, декоративно-защитного и другого назначения.

По типу материала матрицы различают:

а) полимерные композиты;

б) металлические композиты;

в) неорганические композиты (неорганические полимеры, минералы, керамику, углерод).

Как уже отмечалось, остановимся только на полимерных композитах как наиболее распро странённых и относительно недорогих материалах.

В полимерных композитах матрицами (или связующими) являются синтетические полимеры, т.е. вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев одина ковой структуры. Химическое строение полимера характеризуют его элементарным звеном, кото рое выражают структурной формулой полимера, учитывающей количество звеньев в цепи моле кулы полимера По характеру строения полимерных макромолекул различают полимеры линейного, разветв лённого и сетчатого строения. Макромолекулы линейных полимеров состоят из длинных нераз ветвлённых молекулярных цепей, в которых содержатся, как правило, одинаковые атомные груп пировки. Атомы, входящие в главную цепь, связаны между собой прочными химическими (кова лентными) связями. Силы взаимодействия между макромолекулами имеющие физическую приро ду (например, Ван-дер-Ваальса), на один-два порядка меньше. Наличие гибких макромолекул с прочными связями в их цепи и слабыми межмолекулярными связями обуславливает высокую де формационную способность линейных полимеров. Их свойства существенно зависят от плотности упаковки макромолекул, с увеличением которой повышаются и их прочностные характеристики.

В полимерах разветвлённого строения длина боковых ответвлений макромолекул может быть соизмерима с длиной её основной цепи. Наличие значительных боковых ответвлений пре пятствует формированию плотной упаковки макромолекул и обуславливает пониженное межмо лекулярное взаимодействие, что сказывается на прочностных характеристиках полимера, а также на его растворимости в химически активных средах.

У полимеров сетчатого строения цепи макромолекул связаны между собой прочными хими ческими связями, образуя сетчатую (пространственную сшитую) структуру. В результате полиме ры становятся неплавкими и нерастворимыми. В зависимости от густоты сетки физико механические характеристики полимеров могут меняться в значительных пределах. Полимеры, имеющие густую сетку, обладают повышенными показателями теплостойкости, прочности и твёрдости, а также низкой деформационной способностью.

Макромолекулы полимеров образуют так называемую надмолекулярную структуру, которая формируется в процессе их укладки. Упорядоченность расположения макромолекул зависит от многих факторов и определяется в основном пространственным расположением и гибкостью цепи макромолекул и составляющих её элементов. По степени упорядоченности структуры различают аморфные и кристаллические полимеры. Аморфные полимеры, для которых характерен только близкий порядок расположения элементов структуры, имеют довольно компактную форму распо ложения макромолекул в виде глобул, в которых они собраны в пачки или свёрнуты в клубки.

Макромолекулы линейных и слаборазветвлённых полимеров формируются в кристаллические об разования, имеющие дальний порядок расположения элементов структуры. Гибкие пачки склады ваются в ленты, образуя фибриллы, в которых молекулярные цепи ориентированы в одном на правлении. В свою очередь фибриллы соединяются между собой, образуя пластины и сферолиты, размеры которых составляет десятки микрометров. Увеличение степени кристалличности полиме ров способствует повышению их прочностных характеристик.

По изменению свойств под воздействием температуры различают термопластичные и термо реактивные полимеры. Термопластичные полимеры (термопласты), имеющее линейное и разветв лённое строение макромолекул, при нагревании выше температуры их плавления переходят в со стояние расплава. Это свойство термопласты сохраняют при многократных нагревах. В терморе активных полимерах (реактопластах) при нагревании, УФ - облучении или взаимодействии с вве денными в их состав специальными веществами (сшивающими агентами) образуется сетчатая структура. Поэтому реактопласты становятся неплавкими, т.е. необратимо переходят в так назы ваемое отверждённое состояние.

В качестве связующих термопласты и реактопласты на стадии формирования композитов на ходятся в вязкотекучем состоянии (в виде расплава или раствора), а при эксплуатации полимерные матрицы композитов находятся в твёрдом (кристаллическом или стеклообразном) состоянии.

По основным эксплуатационным показателям полимерные композиты разделяют на три группы (в качестве этих характеристик использована прочность при растяжении р и теплостой кость по Вика kв):

а) композиты общетехнического назначения, имеющие р 50 МПа и kв 150о С. Изделия из этих материалов выдерживают постоянные внешние нагрузки до 15 МПа и обеспечивают работо способность в конструкциях до 100о С. Матрицами этих материалов являются, как правило, тер мопласты с гибкими цепями макромолекул (полиэтилен, полипропилен, полиуретан, поливинил хлорид и др.);

б) композиты инженерно-технического назначения, имеющие р 130 МПа и kв 220о С, что обеспечивает работоспособность изделий под нагрузкой до 20 МПа и при температуре до 160о С.

К ним относятся композиты на основе алифатических полиамидов, полиацеталей, полисульфона, фторопластов, эпоксидных смол и др.;

в) высокопрочные и термостойкие композиты, имеющие р 130 МПа и kв 220о С. Из них изготавливают изделия, работающие под нагрузкой более 20 МПа и при температурах более 160о С. К ним относятся композиты на основе ароматических полиамидов, полиарилатов и др.

Основное отличие полимеров от металлов состоит в особенностях их строения, обусловлен ных спецификой межатомных и межмолекулярных связей и отражающихся на свойствах.

Особенностью атомно-кристаллического строения металлов является кристаллическая ре шётка, состоящая из атомов, окружённых обобществлёнными электронами (электронным газом).

Наличие слабо связанных с решёткой электронов обуславливает высокие показатели тепло- и электропроводности металлов, а также высокую химическую активность большинства металлов.

Кроме того, наличие компактной кристаллической решётки определяет большую плотность ме таллов.

В полимерах атомы связаны между собой прочными химическими связями ковалентного и ионного типа, которые обуславливают высокий уровень тепло- и электроизоляционных свойств, а также высокую химическую стойкость. Большая длина макромолекул определяет их низкую плот ность (в 2 – 5 раза меньшую, чем металлов).

Как уже отмечалось, полимеры без модифицирующих добавок в качестве связующих (мат риц) не используют. Добавки, которые могут быть химически активными или инертными, вводят для улучшения технологических характеристик связующего или усиления эксплуатационных свойств изделий из полимеров.

По виду армирующих (усиливающих) элементов наполнителя различают дисперсноармиро ванные и волокноармированные композиты.

Дисперсноармированные композиты содержат дисперсные наполнители, основные размеры которых (по всем трём осям) близки между собой. Это порошки, чешуйки, хлопья, очень короткие волокна и другие наполнители, размеры которых, как правило, не превышают 200 мкм. Упрочне ние полимерной матрицы при введении дисперсных наполнителей происходит за счёт изменения структуры и усиления свойств в слоях матрицы, граничных с частицами наполнителя. В результа те повышаются физико-механические характеристики композита в целом.

Волокноармированные композиты содержат волокна, у которых длина значительно (на два – пять порядков) превосходит их диаметр.

В свою очередь волокноармированные композиты можно разделить на три группы:

– композиты с дискретными (длиной до 10 мм) волокнами;

– композиты с длинными (более 10…50 мм) волокнами;

– композиты с непрерывными волокнами (в виде комплексных нитей или жгутов, лент, тка ней и др.).

Волокноармированные композиты ещё называют волокноупрочнёнными, поскольку напол нитель вводят в матрицу с целью её упрочнения, т.е. изменения прочностных характеристик Естественно, что введение наполнителя сопровождается также изменением плотности мате риала, его триботехнических, теплофизических, электрофизических и других характеристик.

Области применения полимеров и полимерных композитов достаточно обширны. Они могут эффективно заменить традиционные конструкционные и триботехнические материалы в тех слу чаях, когда условия эксплуатации позволяют реализовать их достоинства. К основным достоинст вам можно отнести:

1) низкую плотность (1,0…1,4 г/см3) и высокую удельную прочность (т.е. отношение про ности к плотности );

2) высокую демпфирующую способность гасить механические и звуковые колебания (по этому показателю они на порядок превосходят металлы и сплавы);

3) высокую износостойкость в экстремальных условиях (в абразивно-агрессивных средах);

4) низкий коэффициент трения в сочетании с эффектом самосмазывания (при нагрузках до 10 МПа и скоростях скольжения до 0,5 м/с).

В настоящее время полимерные композиты наиболее успешно используются как материалы декоративно-конструкционного, конструкционного и триботехнического назначения. В частности, в авиационно-космической технике ряд аппаратов на 30 – 70 % масс состоит из композитов;

в транспортном машиностроении применение композитов в автотранспортных средствах достигает тонны на единицу техники.

В различных отраслях машиностроения из композитов производят корпусные изделия (кузо ва, кабины, двери, бамперы, панели, ёмкости для различных жидкостей и др.);

элементы ходового оборудования (шасси, рессоры, фрикционные диски и тормозные накладки и др.);

элементы при вода, включая элементы трансмиссии и системы управления;

материалы, защищающие поверхно сти рабочих органов, в частности, облицовочные материалы, элементов транспортирующих и зем леройных (роторные экскаваторы) машин (облицовка ковшей и элементов разгрузки).

Выбор полимерного композита, как и любого традиционного материала, для использования в узлах, агрегатах, конструкциях машин и механизмов базируются, прежде всего, на точном знании режимов их работы и условий эксплуатации.

В настоящее время материаловедение является одним из самых интенсивно развивающихся научных направлений, имеющих четкую практическую направленность. В основном развитие осуществляется преимущественно за счет неметаллических материалов, в том числе композици онных.

В машиностроении и других отраслях промышленности в основном научились использовать преимущества металлических и неметаллических материалов и их комбинаций. Каждая группа материалов обладает достоинствами в определенной области эксплуатации. Задача материалове дения – найти наиболее выгодные области использования различных материалов, не противопос тавляя, их друг другу. Во многих случаях решение сложных задач может быть достигнуто только за счет комбинации металлических и неметаллических материалов, например, полимерных покры тий на металлических изделиях.

Развитие композиционных материалов обусловлено все возрастающими требованиями, предъявляемыми в различных отраслях машиностроения, включая транспортное, к машинострои тельным изделиям. Именно они стимулируют создание композиционных материалов, способных к длительной эксплуатации в экстремальных условиях (под действием высоких температур и хими чески активных сред, больших статических и динамических нагрузок, радиации и прочее). Кроме того, эти материалы обладают по сравнению с традиционными конструкционными материалами (металлы и сплавы) значительно меньшей энергоемкостью процессов их производства и трудоем костью изготовления изделий их них. Так удельные затраты энергии на единицу массы при полу чении композиционных материалов на основе полимеров в 15 раз меньше, чем при производстве изделий из алюминия и в 21 раз из титана. К этому следует добавить, что их плотность составляет 0,9…2,2 г/см3, т.е. в два – четыре раза ниже плотности аллюминевых и стальных сплавов. В 60 – 70-х годах столетия (на первом этапе их развития) композиционные материалы на основе по лимеров и армирующих волокон применяли только в отраслях промышленности, определяющих уровень развития материаловедения (авиа- и космическая техника, радио- и электронная техника, судостроение и атомная промышленность), а также в тех случаях, когда высокая стоимость (по тем временам) компонентов была оправдана большой ответственностью узлов и высокими требо ваниями к изделиям. В частности, уже тогда в авиационно-космической технике США компози ционные материалы использовали в качестве средненагруженных и даже силовых элементов кон струкций, в ряде самолетов объем композиционных материалов доходит до 60…70 %. В настоя щее время композиционные материалы используются в самых различных отраслях (в спортивной индустрии, строительстве, во всех отраслях машиностроения, включая транспортное), поскольку по ценам они вполне конкурентоспособны с другими традиционными материалами.

Выше упомянуто о так называемых высокопрочных композиционных материалах, которые по ряду физико-механических характеристик не уступают изделиям из металлических материалов.

Вместе с тем, широкая гамма компонентов композиционных материалов позволяет варьировать их свойства в очень широких пределах.

Итак, композиционный материал (композит) – это сложный материал сложного состава, со стоящий из двух и более разнородных компонентов с границей раздела между ними.

Полимерные композиты имеют:

1) химическую стойкость;

– до 2) электрические свойства (электроизоляционные свойства в пределах от Ом м, т.е. от проводников до диэлектриков);

3) прочностные свойства:

а) прочность от 1 до 104 МПа;

б) жесткость от 10 – 2 до 103 ГПа;

4) демпфирующая способность (гашение колебаний на порядок лучше, чем металлов);

5) твердость НВ 20…500.

Контрольные вопросы 1. Что такое композиционные материалы?

2. Какие различают полимеры по изменению свойств под воздействием температуры?

3. В чем заключается основное отличие полимеров от металлов?

4. Охарактеризуйте основные достоинствам полимеров 5. Какие детали можно изготавливать в машиностроении из композитных материалов?

ЛИТЕРАТУРА 1. Романович, Ж. А., Скрябин, В. А., Фандеев, В. П., Цыпин, Б. В. Диагностирование, ре монт и техническое обслуживание систем управления бытовых машин и приборов [Текст] : учеб.

для вузов по направл. "Технол. машины и оборуд.", спец. "Быт. машины и приборы".-М.:Дашков и К, 2009.-208с.

2. Надежность технических систем: учебник для студентов высших учебных заведений / В.Ю. Шишмарев. – М.: Издательский центр «Академия», 2010.-304с.

3. Основы теории надежности и диагностика: учебник для студентов высших учебных заве дений / Н.Я. Яхьяев, А.В. Кораблин. – М.: Издательский центр «Академия», 2009.-256 с.

4. Довгяло В. А. Методы повышения работоспособности машин и механизмов :учебное по собие для вузов / В. А. Довгяло. –Гомель : БелГУТ, 2011.-230 с.

5. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение. 1980. – 493 с.

6. Основы теории надежности: учебное пособие для студентов вузов / А.М. Половко, С.В.

Гуров. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006.-702с.

7. Герасименко А.А. Защита от коррозии старения и биоповреждений машин оборудования и сооружений, М.: Машиностроение, Т1, 1987.- 688с.

ТЕМА 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МАШИН 3.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МАШИН. МЕХАНИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ Физико-механические свойства деталей, в частности, свойства поверхностных слоёв, опре деляющих их износостойкость и другие триботехнические характеристики, определяются приро дой металла, а также его термической или другой обработкой.

В процессах механической обработки свойства могут существенно изменяться, поскольку при воздействии на деталь режущего инструмента она испытывает силовое и термическое воздей ствия. Эти воздействия вызывают в металлической детали два явления:

а) упрочнение (наклёп) в результате силового воздействия режущего инструмента при ре зании;

б) разупрочнение (снятие наклёпа) в результате термического воздействия при резании.

При обработке режущим (лезвийным) инструментом в основном возникает наклёп (напря жения сжатия), причём с увеличением глубины резания и подачи толщина наклёпанного слоя воз растает.

Вместе с тем при высоких скоростях резания, при малых подачах, а также при обработке абразивным инструментом могут превалировать напряжения растяжения (в результате нагрева).

Таким образом, подбирая способы обработки (механической), режимы резания и охлаждения, а также геометрию режущего инструмента можно направленно влиять на остаточные напряжения в материале обрабатываемой детали.

Наклёпанный слой обладает повышенной усталостной прочностью, износостойкостью и коррозионной стойкостью. Для его создания используют ряд методов пластического деформиро вания поверхностных слоёв детали.

1) Дробеструйная обработка – упрочнение пластическим деформированием наружной по верхности детали под действием дроби, соударяющейся с ней с большой скоростью. Её реализуют с помощью пневматических (дробь движется под действием сжатого воздуха, гидравлических (во да) и механических (дробь движется под действием центробежной силы, развивающейся во вра щающемся роторе ) дробемётов.

Она увеличивает на 20 – 40 % твёрдость деталей. Её используют для упрочнения деталей сложной формы. При этом повышается долговечность (циклическая):

рессор – в 2 – 7 раз;

пружин – в 3 – 10 раз;

зубчатых колёс (после закалки ТВЧ) – в 8 – 12 раз;

осей – в 3 – 5 раз.

Для обработки используют чугунную и стальную дробь. Толщина упрочненного слоя со ставляет 0,3 – 1,5 мм.

При центробежно-шариковом наклёпе (вариант дробеструйной обработки) обрабатываются внутренние и внешние поверхности. Его эффективность растёт с ростом твёрдости детали. Обра ботка обеспечивает рост твёрдости на 15 – 60 % (он особенно эффективен с предварительной тер мической обработкой и химико-термической обработкой – закалкой, цементацией и др.).

Обрабатывают цилиндрические детали (коленчатые валы, тормозные шкивы, гильзы ци линдров, поршневые кольца, вкладыши подшипников).

2) Обкатывание роликами проводят с помощью специальных приспособлений, которые ос нащают одним или несколькими накатными роликами. Эффективность обкатки растёт уменьше ние исходной твёрдости детали. Отметим, что размер детали меняется незначительно (в основном сминаются выступы рельефа поверхности, оставшееся от механической обработки). Обкатка уве личивает твёрдость на 20 – 50 %. Как правило, упрочняют цилиндрические и винтовые поверхно сти. Долговечность (циклическая) растёт:

штоков – в 3 – 4 раза;

болтов, шпилек (обкатка резьбы) – в 2 раза.

Такого же эффекта можно добиться с помощью алмазного выглаживания. Толщина упроч нённого слоя достигает 0,5 – 3,5 мм.

3) Чеканка – это ударная обработка поверхности с помощью специальных приспособлений (механических, пневматических, электромеханических) и инструмента (например, ударника с бойком). Этим способом удобно упрочнять изделия крупногабаритные и сложной формы, а также сварные швы металлоконструкций с помощью торцов проволок стальных канатов.

При этом повышается на 20 – 50 % твёрдость, а также существенно растёт долговечность (циклическая) крупных валов (в районе галтель), крупномодульных зубчатых колёс (в районе впа дин) и сварных металлоконструкций (в районе швов и близких к ним зон). Толщина упрочнённого слоя составляет 0,5 – 3,5 мм.

4) Обработка внутренних поверхностей отверстий (например, отверстий пластин цепей). Её осуществляют раскатыванием (рисунок 7.5 г) (развальцовыванием), калибрование шариком и дор нованием (иногда – дорнированием).

Раскатывание производят роликовыми и шариковыми раскатками, дорнование – шариками и дорнами (одно- и многозубыми). При этом растёт твёрдость, уменьшается шероховатость, пре дел выносливости поверхностных слоёв возрастает в 2 раза.

3.2. ТЕРМИЧЕСКАЯ, ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ Термическая обработка (ТО) является одним из наиболее распространенных в современ ной технике способов получения заданных свойств металлов и сплавов. Термическая обработка применяется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давле нием, резанием и др., либо как окончательная операция для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который сможет обеспечить задан ные эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственнее изделия (конструкция), тем, как правило, в ней больше термически обработанных деталей. Так как основными факторами лю бого вида термической обработки являются температура и время, то любой процесс термической обработки можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени. При рассмотрении разных видов термообработки железо-углеродистых сплавов (стали, чугуны) ис пользуются следующие условные обозначения критических точек этих сплавов (рис. 3.1).



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.