Надежность, определяемая процессами, происходящими в элементах и узлах машин и приборов

Надежность любой, даже самой сложной технической системы, зависит прежде всего от надежности каждого используемого в ней элемента. В общем случае систему можно представить практически из элементов двух видов:

1. элементы электрической схемы

2. механические элементы.

В качестве электрооэлементов обычно рассматриваются детали и изделия, имеющие самостоятельные обозначения на принципиальных и монтажных электрических схемах. Большинство из электроэлементов являются типовыми.

Среди механических элементов можно выделить две группы:

1). элементы кинематические (кулачки, зубчатые колеса, плунжеры, клапаны, подшипники и т.д.)

2). крепежные элементы (стойки, панели, винты и т.д.)

К механическим можно отнести также элементы пневмо и гидросистем.

Для любых из элементов системы задаётся номинальный нагрузочный режим, то есть значение силы тока, температуры, влажности, вибрации и т.д., при которых гарантируются технические параметры и характеристики элемента, приводимые в его паспорте и технических условиях. Указываются также предельные нагрузки, при которых параметры элемента ещё не выходят за допустимые границы. Если к рассмотрению различных видов отказов элементов подойти с точки зрения средств и методов, которые могут способствовать их устранению и предупреждению, то часто бывает выгодно делить отказы на три группы:

1) Приработочные отказы

2) Внезапные отказы

3) Износовые отказы

Такое деление соответствует трём явно выраженным периодам работы любого прибора или машины.

 

Из кривой видно, что в 1-й период интенсивность отказов вначале быстро достигает высокого уровня, затем резко падает. Во 2-й период – период нормальной эксплуатации – интенсивность отказов устанавливается на постоянном минимальном уровне. В 3-й период – период износа – интенсивность отказов вновь возрастает.

Приработочные отказы, характерные для 1-го периода, - это результат наличия в приборах и машинах дефектных элементов, характеристики которых значительно ниже требуемого уровня. В условиях использования в приборах и машинах многих тысяч элементов даже при их тщательной отбраковке не всегда удаётся исключить возможность попадания элементов, имеющих те или иные скрытые производственные дефекты. Причиной приработочных отказов могут быть и ошибки, допущенные при сборке и монтаже. Повышенное число отказов в приработочный период иногда объясняется недостаточной освоенностью обслуживающего персонала.

Физическая природа возникновения приработочных отказов носит такой же случайный характер, как и внезапных. Разница состоит в том, что если внезапный отказ нормального стандартного элемента происходит при очень высокой концентрации нагрузок, то для отказа дефектного элемента обычно достаточно нагрузки во много раз меньше. В период приработки происходит «выжигание» неполноценных дефектных элементов, которые заменяются нормальными элементами. Чем круче кривая в период приработки, тем надёжней прибор или машина.

После окончания приработки наступает период нормальной эксплуатации. Его продолжительность во много раз больше, чем продолжительность периода приработки. Если период приработки длится десятки-сотни часов, то период нормальной эксплуатации – тысячи-десятки тысяч часов. Заканчивается данный период, когда естественный и неизбежный процесс износа начинает приводить элементы к постепенным износовым отказам. Интенсивность отказов изделия в течение всего периода нормальной эксплуатации остаётся постоянной. Вероятность безотказной работы изделия становится одинаковой для любых равных отрезков времени всего этого периода. Период нормальной эксплуатации заканчивается, когда возникают износовые отказы.

3-й период – период износа элементов машин – наступает, когда к внезапным отказам добавляются постепенные износовые отказы, и суммарная интенсивность отказов возрастает. Вероятность износовых отказов превышает вероятность внезапных.

Обеспечение надёжной работы изделия во 2-м периоде, снижение его внезапных случайных отказов является основной задачей на всех этапах создания и использования машин и приборов, а именно: при проектировании, производстве и эксплуатации.

Наибольшими возможностями в её решении обладает конструктор. Нередко при изменении конструкции или облегчении режима работы одного или двух элементов обеспечивается резкое повышение надёжности всего изделия. Большие возможности в повышении надёжности даёт своевременная профилактическая замена элементов. Рассматривая 2-й период можно прийти к выводу, что заменять в нём элементы до наступления их внезапного отказа нецелесообразно. Это утверждение основывается на том, что вероятность внезапных случайных отказов, подчиняющихся экспоненциальному закону распределения, не зависит от «возраста» элемента, и интенсивность таких отказов для равных промежутков времени в течение всего периода нормальной эксплуатации постоянна. Поэтому замена элементов до наступления их внезапных отказов не может способствовать повышению надёжности изделия. Другое дело, когда речь идёт о периоде износа. Вероятность возникновения износовых постепенных отказов, подчиняющихся нормальному закону распределения, непосредственно зависит от «возраста» элемента. Интенсивность таких отказов для равных промежутков времени в период износа непостоянна, повышается по мере увеличения срока эксплуатации. Чтобы яснее представить себе это, вспомним типовую кривую нормального распределения.

Из этой кривой ясно видно, что вероятность возникновения износового отказа для равных промежутков времени работы элемента неодинакова. Так, в данном случае в течение тысячи часов в период от семи до восьми тысяч часов вероятность возникновения износового отказа будет составлять примерно 4%. В то же время, за такой же промежуток времени, но от девяти до десяти тысяч часов она составляет 40%. Так, профилактическая замена элементов до наступления их износовых отказов позволяет практически отодвинуть наступление 3-его периода и значительно увеличить продолжительность наиболее важного для нас продолжительность 2-го периода. В этом основной смысл и значение профилактической замены элемента.

 

11. Надёжность, определяемая повреждениями механических деталей и сопряжений

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

Виды повреждений деталей машин или прибора и соответственно отказы можно разбить на 2 группы:

1. Допустимые (по характеру, а не по величине повреждения), возникающие при нормальных условиях эксплуатации.

2. Недопустимые (носят аварийный характер). При этом разрушению или деформации может подвергаться как тело детали, так и ее поверхность, находящаяся во взаимодействии с соприкасаемой поверхностью другой детали.

К допустимым повреждениям можно отнести коробление или остаточную деформацию детали, поломку в результате усталости, некоторые виды износа (абразивный износ, износ при хрупком разрушении), усталость поверхностных слоев. Как правило, недопустимы поломки деталей в результате недостаточной статической, динамической или усталостной прочности, тепловые трещины, в результате нагрева детали, и в ряде случаев коррозии. Для поверхностей контакта характерны такие недопустимые виды повреждений как некоторые виды износа, протекающие с большой интенсивностью (молекулярно-механический износ, тепловой износ), выкрашивание частиц с поверхностей трения. Все недопустимые повреждения должны быть устранены теми или иными методами. Допустимые же повреждения во многих случаях не могут быть полностью устранены. Можно лишь отсрочить их проявление путем уменьшения скорости изнашивания.

Виды повреждений предопределяют содержание ремонта машин. Допустимые повреждения деталей устраняются в результате плановых ремонтов. Отказы деталей из-за недопустимых повреждений устраняются в результате аварийных ремонтов. Ремонт этих деталей не может быть предусмотрен планом, т.к. их отказ, как правило, возникает внезапно.

Основные виды повреждений, а соответственно и отказов деталей машин и приборов при нормальных условиях эксплуатации связаны главным образом со взаимодействием поверхностей.

Рассмотрим наиболее характерные виды повреждений, возникающих в результате взаимодействия поверхностей.

Начальное касание тел	Относительное перемещение	Типовой пример	Наиболее характерный вид повреждения
Соприкосновение поверхностей	Соприкосновение без перемещения		Смятие
Соприкосновение с перемещением (Скольжение)		Износ
Соприкосновение по линии или в точке	Соприкосновение без перемещения		Смятие
Скольжение		Износ
	Обкатка (качение без скольжения)		Смятие, усталость
Качение со скольжением		Износ, усталость

 

 

Если нет относительного перемещения поверхностей, то это, как правило, вызывает их смятие. Смятие поверхностей является характерным видом разрушения шпоночных и шлицевых соединений, упоров, штифтов, осей цепных передач, резьбовых соединений и т.д. Относительное скольжение поверхностей вызывает их износ. При этом влияние пластических изнашиваний может быть уменьшено или устранено путем повышения твердости элементов пары. При начальном касании поверхностей по линии или в точке имеется большое число вариантов их относительного перемещения. Качение без скольжения (обкатка) двух тел вызывает усталость поверхностных слоев, которая проявляется в виде отслаивания мелких частей металла с поверхностей контакта. При небольшой твердости материалов и больших ударных давлениях наблюдается смятие (подшипники качения, ролики кулачковых механизмов).

При качении с относительным скольжением (зубчатые передачи) наблюдается износ, усталость, а в ряде случаев и смятие. Зона усталости расположена там, где относительное скольжение минимально или равно 0 (в зоне начальной окружности колеса), а зона интенсивного износа расположена в местах наиболее интенсивного скольжения (головка и ножка зуба).