КОНСТРУКТИВНЫЕ МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАШИН

Современные горные машины эксплуатируют в тяжелых условиях, связанных с ограниченностью габаритов, абразивностью горных пород, запыленностью атмосферы, воздействием агрессивных шахтных вод. Долговечность горной машины зависит не только от тех идей и приемов, ма­териалов и конструкций, которые были заложены при проектировании ма­шины, но и от нововведений, которые могут быть применены дополнительно в машине при ее ремонтах, модернизации и совершенствовании. Такие ново­введения позволяют улучшить, как правило, наиболее нагруженные детали и узлы, повысить за счет этого долговечность всей машины, т.е. активно и благотворно влиять на процесс старения машины.

В процессе разработки конструкции машины закладываются фундаментальные основы долговечности отдельных узлов и деталей машин, соз­даются условия для замедленного старения машины.

Ошибка конструктора на этой стадии создания машины может привес­ти к тому, что машина из-за недостаточной долговечности отдельных дета­лей окажется неэкономичной или вовсе неработоспособной в самом начале эксплуатации или приведет к быстрому старению машины - частому нару­шению выходных параметров, бесконечному ремонту машины и быстрому ее списанию.

При изготовлении машины большое влияние на ее долговечность оказывают различные технологические факторы изготовления деталей и ее сборки.

И, наконец, при эксплуатации машины ее старение будет зависеть от режима работы машины, методов профилактики, применяемых приемов восстановления деталей и системы ремонта машины.

Ниже подробно рассматриваются "рецепты" управления старением машин на всех этих этапах.

4.1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТОВ ДЕТАЛЕЙ

Типовые расчеты деталей машин на долговечность производятся или по коэффициенту работоспособности: С=Q(n-h)^0,3, где Q - приведенная на­грузка, а h - расчетная долговечность (или , где t_ср - средний срок службы 50 % изделий, R - величина рабочего воздействия), или по ко­эффициенту запаса (запасу прочности) по эквивалентному напряжению (для валов, например, , где s_н и t_к - наибольшие напряжения соответственно при изгибе и при кручении).

При расчетах на усталостную прочность эквивалентное напряжение рассчитывается по формуле:

,

где N₀ - число циклов, соответствующее точке перегиба кривой усталости (обычно принимают N₀=(3¸5) 10⁶ циклов), N_i - общее число циклов нагружений при напряжениях s_i.

Можно долговечность деталей рассчитать и по приведенному числу циклов нагружений:

,

где а, в, с - средневзвешенная доля работы при нагрузках, вызывающих соответственно напряжения s₁, s₂, s₃;

n₁, n₂ и n₃ - по диаграмме усталости - число циклов, при которых произойдет разрушение от напряжений s₁, s₂, s₃.

Например, для вала дробящего конуса дробилки нагрузка нормальная в месте посадки 5000 Па, при попадании недробимого тела (кусок металла) напряжение возрастает до 15000 Па. Коэффициент концентрации: от посадки вала для Ст5 равен 2, от неровностей обработки -1,15.

Напряжение с учетом коэффициента концентрации: s_норм=500021,15- 11500 Па; s_увелич=1500021,15=34500 Па.

Примем, что дробилка работает на 70 % с полной нагрузкой, 30 % - с половинной, 1 раз в смену попадает недробимое тело.

Определим приведенное число циклов (с учетом N_прив):

.

Долговечность вала при работе в сутки в течение 20 часов при n = 220
об/мин:

.

Однако при таких расчетах не учитывается случайный характер действующих нагрузок, изменчивость механических свойств металлов деталей. Если известны параметры рассеяния нагруженности (например, измеренная методом тензометрирования) и характеристик прочности (проведенная ста­тистической обработкой данных сертификатов на металл), то целесообразно расчет на выносливость производить вероятностными методами.

При вероятностном методе расчета выбор запаса прочности определя­ется вероятностью разрушения в течение срока службы машины. Основой вероятностных расчетов является положение о том, что эксплуата­ционные нагрузки носят случайный характер и характеристики сопротивле­ния усталости также являются случайными величинами.

На рис. 4.1 показаны плотности распределения Гаусса параметров нагрузки s_а и прочности s_-1. Вероятность Р_отказа по разрушению детали пропорциональна левому участку S₁ площади под перекрывающимися участка­ми кривых этих рас­пределений. Эту площадь, а, следова­тельно, и вероятность разрушения можно уменьшить тремя способами:

- снижением напряжений s_а за счет увеличения сечения и массы детали, что в большинстве случаев для горных машин недопустимо;

- увеличением среднего значения предела выносливости s_-1, что воз­можно за счет удорожания изделия,

- уменьшением дисперсии прочности используемых материалов за
счет увеличения однородности и снижения разброса механических свойств
металла (например, в сталях электрошлакового переплава или рафинированных синтетическим шлаком, см. ниже).

Достижение прочности с необходимым уровнем безотказности можно гарантировать при вероятностном определении запасов прочности с учетом законов распределения как нагрузок, так и показателей, определяющих прочность деталей.

Условие прочности или условие безотказности означает отсутствие у элемента предельного состояния, т.е. когда прочность соответствует или превосходит нагрузку, что выражается неравенством:

.

При известных законах распределения s_а и s_-1вероятность отсутствия отказа у детали вследствие того, что s_-1>s_а, может быть определена для нагрузки уровня Q_i (см. рис. 4.1) путем интегрирования плотности вероятно­сти f(s_-1) распределения показателя прочности:

.

Вероятность непоявления отказа в общем случае определяется из выражения:

,

где x(q) - плотность вероятности случайной величины , представляющей собой композицию законов распределения напряжений s_а и s_-1(композиция законов распределения случайных величин называется законом распределения суммы этих величин);

и - математические ожидания показателей прочности и нагруз­ки соответственно.

В частном случае, при подчиненности нормальным законам распределения показателей прочности и нагрузки композиция законов их распределе­ния также будет подчинена нормальному закону распределения:

.

Случайные величины s_а и s_-1 являются независимыми (нагрузка не за­висит от прочности), поэтому:

,

где М_q - математическое ожидание случайной величины q;

D² - дисперсии соответствующих величин.

Учитывая это, получим:

.

Вероятность отсутствия отказа вследствие того, что s_-1>s_а , опреде­лится (с использованием функции Лапласа):

.

При произвольных законах распределения рекомендуется метод приближенного определения вероятности отсутствия отказа рассчитываемого элемента. Вероятность отказа

,

где S₁ - вероятность того, что прочность детали меньше, чем Q₀ (см. рис 4.1), S₂ - вероятность превышения нагрузки уровня Q₀:

;

Вероятность безотказности рассчитываемой детали:

P>(1-S₁)(1-S₂)

Учитывая, что Р+F=1 , получим:

1-P<S₁+S₂-S₁×S₂

Отсюда выражение для оценки точности данного приближенного ме­тода расчета вероятности безотказности рассчитываемой детали:

S₁S₂<1-P<S₁+S₂-S₁×S₂

Таким образом, переход при расчетах прочности к использованию вероятностных распределений значений нагрузок и прочности позволяет вести расчеты с обеспечением требуемого уровня безотказности.

4.2. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ

Каждая машина состоит из комплекса разнообразных деталей, узлов, среди которых одни работают практически неограниченное время, другие периодически подвергаются восстановительному ремонту или замене. К последней группе относятся детали, которые работают в условиях трения либо находятся под воздействием значительных статистических или переменных нагрузок. Очень часто детали машин работают в напряженном состоянии при повышенных или пониженных температурах (до – 50 °С) или в коррози­онных средах. Такие детали имеют ограниченный срок службы в эксплуата­ции, от их долговечности зависит срок службы машины в целом.

При проектировании или модернизации узлов машины, имеющих ограниченную долговечность, необходимо правильно выбрать материал, опре­делить вид и режимы его упрочнения, чтобы увеличить срок эксплуатации деталей и всей машины.

Конструкционные стали с пониженным содержанием углерода (С до 0,25 %) чаще всего подвергаются цементации и закалке, после чего получа­ется высокая твердость цементованного слоя при вязкой сердцевине. Среднеуглеродистые стали (с С>0,25 %) применяются, как правило, для изго­товления деталей, которые подвергаются объемной термической закалке и отпуску.

Имеется группа высокопрочных сталей (например, хромоникелевые, легированные молибденом, вольфрамом, ванадием), которые после соответствующей термической обработки приобретают при достаточной вязкости более высокую прочность, чем у обычных конструкционных сталей. Их ис­пользуют для ответственных деталей.

В табл. 4.1 приведены сведения о характере работы, причинах выхода из строя некоторых широко распространенных деталей горных машин, а также о материалах и способах повышения долговечности, применяемых при изготовлении деталей из них.

На основании изложенного можно сформулировать требования к материалам:

1. Создание особо прочных материалов, необходимых для высоконапря­женных машин и для единичных деталей многих машин, так как нередко
габариты и массу машины приходится существенно увеличивать из-за
одной особо напряженной небольшой по металлоемкости детали.

2. Применение композитных материалов как средства принципиального
снижения чувствительности материалов к концентрации напряжений.

3. Создание дешевых металлических материалов с высоким модулем уп­ругости, с хорошими технологическими свойствами и стабильностью, с
малыми вредными остаточными напряжениями в деталях после их изготовления.

4. Создание высокоизносостойких материалов с твердостью выше твер­дости абразива для работы в сильно абразивной среде.

5. В связи с переходом расчетов на прочность на вероятностную форму
необходимо определение и указания в характеристиках материала предела выносливости и кривой усталости для нормального распределения амплитуд напряжений, а также показатели рассеивания механических ха­рактеристик.

Таблица 4.1