ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТАРЕНИЯ МАШИН

Каждая машина, предназначенная для выполнения определенной ра­боты, имеет выходные параметры, характеризующие самые разнообразные свойства машины в зависимости от ее назначения и тех требований, которые к ней предъявляются, а именно: показатели скорости, производительности, точностные и динамические параметры, экономические показатели и другие.

Машина характеризуется рядом выходных параметров. Допустимые значения параметров каждой машины оговариваются в нормативных доку­ментах (стандартах, технических условиях). Например, самоходная буровая установка СБУ-2Б имеет следующие выходные параметры: максимальная скорость передвижения 2 км/ч; глубина бурения 2,75 м; максимальная ши­рина обуривания 6,8 м; высота бурения горизонтальных шпуров 5,5 м; рас­ход воздуха при бурении 20-24 м ³/мин.

Работоспособность - это состояние машины, при котором она может выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. Техниче­ская документация предусматривает уровень внешних воздействий, методы технического обслуживания и ремонта (систему ремонта, затраты на ремонт и др.), нормы и допустимые отклонения от установленных параметров.

Таким образом, работоспособность машины связана не только со спо­собностью "работать", то есть выполнять необходимые функции, но и с тем, чтобы при этом выходные параметры машины находились в допустимых пределах. Те изменения, которые происходят с течением времени в любой машине и приводят к потере ее работоспособности, связаны с внешними и внутренними воздействиями, которым она подвергается. В процессе экс­плуатации на машину действуют различные виды энергии, что может привести к изменению параметров отдельных элементов, механизмов и машины в це­лом.

При этом имеется три основных источника воздействий:

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

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

-потенциальная энергия, которая накоплена в металлах и деталях машины в процессе их изготовления (внутренние напряжения в отливке, в сварной конструкции, остаточные напряжения после механической обработ­ки, монтажные напряжения).

Различные виды энергии, действуя на машину, вызывают во всех узлах и деталях процессы, снижающие начальные параметры машины (начальные параметры - это выходные параметры машины, которые машина приобрета­ет в начальный период работы, после приработки и приемки ее к эксплуата­ции). Эти процессы связаны, как правило, со сложными физико-химическими явлениями и приводят к деформации, износу, поломке, корро­зии и другим видам повреждения, вследствие которых происходит отказ.

Отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособности машины. Отказы могут быть различного вида и характера: от незначительных отклонений параметров от технических требований (подтекания масла в редукторе) до отказов, вызванных поломками основных деталей машины (валов, шестерен и т.п.), приводящими к аварийным ситуациям.

Продолжительность работы до отказа выражается во временных пока­зателях (в часах, месяцах, годах). Машина или ее элемент характеризуется, как правило, не одним, а несколькими выходными параметрами. Срок службы или наработка до отказа - это время достижения предельного значения любым из ее выходных параметров. Наработка или срок службы до предель­ного регламентированного состояния называется соответственно ресурсом или допустимым сроком службы. Предельное состояние машины или от­дельной детали - это изменения выходных параметров машины или техни­ческой характеристики детали в диапазоне, установленном технической документацией, за пределами которых дальнейшая эксплуатация недопустима.

Безотказность - это свойство машины непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого периода времени или некоторой наработ­ки.

Долговечность - это свойство машины сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, то есть в течение всего периода эксплуатации при установленной системе технического обслуживания и ремон­тов. Долговечностью машины оценивается работа за весь период ее эксплуатации (с учетом того, что длительная работа машины невозможна без ремонтных и профилактических мероприятий, восстанавливающих работоспособность, утраченную в процессе эксплуатации).

Следует иметь в виду, что процессы, возникающие в результате действия того или иного вида энергии, могут не сразу привести к повреждению машины - отказу. Часто существует период "накопления воздействий" преж­де чем начнется период внешнего проявления процесса, то есть повреждения деталей. Например, для начала развития усталостной трещины необходимо определенное число циклов переменных напряжений. Такие постепенно накапливающиеся изменения в деталях вызываются, в основном, старением материалов, из которых они изготовлены. Процессом старения называется необратимое изменение свойств или состояния материала детали в результа­те действия различных факторов в процессе эксплуатации.

Необратимые процессы в деталях - износ, коррозия, усталость и дру­гие - приводят к таким повреждениям, которые ухудшают начальные пара­метры машины, то есть происходит ее старение.

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

1 .2. ПРИЧИНЫ ПОТЕРИ МАШИНОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

1.2.1. ПРОЦЕСС МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Современная теория физики твердого тела рассматривает процесс разрушения материала как постепенный кинетический термоактивационный процесс, развивающийся механически напряженном материале с момента приложения нагрузки любой величины.

Скорость процессов механического разрушения деталей зависит от структуры и свойств материала, геометрической формы и состояния поверхности, от напряжения, вызываемого нагрузкой и температурой. В настоящее время получена зависимость между ресурсом материала Т, напряжением sи температурой t:

,

где Т - наработка (время) от момента приложения постоянной механической нагрузки до разрушения образца; t₀, U₀, g - параметры, характеризующие прочностные свойства материала; t - температура; s - напряжение; R - универсальная газовая постоянная.

Эта зависимость показывает, что разрушение образца следует рассмат­ривать как постоянный процесс, в котором за счет последовательного флуктуационного разрыва атомных связей в кристаллической решетке преодоле­вается энергетический барьер U₀, сниженный в результате действия напря­жений на величину gs.

Если на деталь при работе действуют как статические, так и перемен­ные напряжения, вызванные различными нагрузками, и повышенная темпе­ратура, и прочностные характеристики меняются с течением времени или по числу циклов, следует учитывать возможные отклонения этих параметров от их расчетных значений. Расчетные статические напряжения могут возрасти из-за резонансного усиления колебаний, температура - из-за ухудшения ус­ловий охлаждения и так далее.

Как сказано выше, процесс, возникающий в результате воздействия того или иного вида энергии, может постепенно привести к повреждению машины. Существует период накопления воздействий, прежде чем начнется повреждение машины. Например, для начала развития усталостной трещины необходимо определенное число циклов переменных напряжений.

Усталость - процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений. Свойство материала про­тивостоять усталости называется выносливостью. Показателем выносливо­сти является предел выносливости - наибольшее значение амплитуды на­пряжений цикла, при действии которой не происходит усталостного разру­шения после произвольно большого количества циклов. Зависимость между напряжением, числом циклов до разрушения и пределом выносливости име­ет следующий вид:

,

где N_i – число циклов до разрушения; s_i –действующее напряжение; s_R -

предел выносливости; K, m - постоянные коэффициенты.

Экспериментальные исследования показали, что усталостная проч­ность деталей машин имеет статистическую природу, то есть зависит от це­лого ряда факторов, значение которых предварительно учесть практически невозможно (переменные условия работы, состояние поверхностного слоя деталей, наличие внутренних дефектов структуры металлов и т.п.). В связи с этим наблюдается значительное рассеяние результатов испытаний, особенно по усталостной долговечности. Циклическая прочность деталей, изготовлен­ных по одинаковой технической документации и испытанных на одном уровне напряжения цикла, может отличаться в несколько раз. Для описания долговечности детали при переменных нагрузках наиболее употребитель­ным является логарифмически нормальный закон (нормальный закон для логарифма случайной величины).

Плотность распределения логарифма числа циклов до усталостного разрушения при работе на постоянном уровне переменных напряжений s

,

где и S_lgN - соответственно среднее значение и среднее квадратическое отклонение числа циклов до разрушения (lgN=F₁(s); S_lgN=F₂(s)).

В современных инженерных расчетах в целях учета влияния факторов, которые предварительно учесть невозможно, вводится запас прочности, с тем, чтобы обеспечить заведомо безотказную работу машины:

,

где n - запас прочности, s_разр - разрушающее напряжение, s_max - наибольшее напряжение в металле, [n] - допустимая величина запаса прочности. Под s_разр при действии переменных напряжений понимают предел выносливости, при действии постоянных напряжений - предел прочности. Запас прочности зависит от рода конструкции, ее долговечности и ответственности, досто­верности назначения расчетной нагрузки, точности расчетного метода и др.

Запас прочности в разных случаях имеет значение от 1,25 до 15 и даже выше. Несмотря на введение такого "коэффициента незнания", "коэффициента перестраховки" фактические сроки службы деталей машин значительно отличаются от расчетных в меньшую сторону: так, вал инерци­онного грохота при запасе прочности n=5 вместо расчетных 3 лет отрабаты­вает 1,2-1,5 года; вал шаровой мельницы соответственно вместо 4 лет - 1,8-2 года и так далее. Недостаток этого метода расчета может быть частично уст­ранен введением статистических запасов прочности или определением веро­ятности разрушения (см. гл. 5).

1.2.2. ИЗНОС, ВОЗНИКАЮЩИЙ ПРИ ТРЕНИИ