Понятие о режиме работы машин

Машины работают при определенных нагрузках с определенными скоростями, причем они не всегда постоянны.

Нагрузки могут быть: постоянные; переменные; прилагаемые плавно; прилагаемые внезапно; ударные.

Скорости работы машин и деталей также различны: постоянные; изменяющиеся повторно-периодически (циклически); изменяющиеся по случайным законам.

Режим работы машины, механизма, детали характеризует изменение нагрузок и скоростей работы во времени.

Можно выделить три основных вида режима работы.

1 – режим с постоянными нагрузками и скоростями, так работают некоторые детали двигателей и энергетических установок.

2 – повторно-периодический режим, так работают технологические установки – автоматы и полуавтоматы.

3 – повторный непериодический режим, так работают транспортные и грузоподъемные машины и механизмы.

Рис. 2 Режим с постоянными нагрузками и скоростями.

Рис. 3 Повторно-периодический режим

Два первых режима – стационарные, и при расчете всегда можно учесть и характер изменения нагрузки, и характер изменения скоростей.

Для машин с нестационарным режимом на основе статистических данных устанавливаются графики изменения нагрузки и другие.

Обычно выявляется процент времени, с которым машина работает при той или иной нагрузке.

При оценке режима работы необходимо определить использование мощности машины в течение какого-то времени (например, смены).

При этом строят график, по оси ординат которого откладывается величина нагрузки, по оси абсцисс – время работы в процентах, которое может быть в часах, годах и т.п. (рис. 3.4).

Изменяющиеся нагрузки и скорости вызывают в деталях переменные напряжения. Постоянные нагрузки и скорости могут вызывать и постоянные и переменные напряжения.

Расчеты на прочность сводятся к расчетам на статическую и циклическую прочность.

На статическую прочность детали рассчитываются при постоянных напряжениях, при напряжениях, медленно изменяющихся во времени, и переменных напряжениях с малым членом циклов напряжений за срок службы детали. Рис. 4 Повторный непериодический режим

В расчетах на выносливость переменный режим нагружений заменяют эквивалентным по усталостному воздействию постоянным режимом с нагрузкой T_max и ресурсом N_E, где Т_max - наибольший вращающий момент, а N_E - эквивалентное число циклов. Замену переменного режима эквивалентным постоянным осуществляют на основе гипотезы линейного суммирования усталостных повреждений.

В расчетах на контактную выносливость переменность режима нагружений учитывают при определении коэффициента долговечности Z_N: вместо назначенного ресурса N_k, в формулу для Z_N подставляют эквивалентное число циклов N_HE.

В расчетах на выносливость при изгибе для определения коэффициента додговечности Y_N вместо N_K подставляют эквивалентное число циклов N_FE:

N_HE = μ_H х N_K; N_FE = μ_F х N_K;

где μ_H, μ_F - коэффициенты эквивалентности по циклам, учитывающие тип режима нагружений и характер накопления повреждений, т.е. принятый в расчетах способ суммирования повреждений. Для типовых режимов нагружений значения μ_H и μ_F приведены в справочных таблицах; для постоянного {нулевого) режима μ_H = μ_F = 1.

То значение напряжения, которое может выдержать при бесконечном числе раз приложении нагрузки называется длительным пределом выносливости.

Длительный предел выносливости – то напряжение, при котором материал не разрушается, выдержав базовое число нагружений .

для различных материалов и состояний различно.

Если деталь работает с очень большим числом циклов нагружения приближающимся к , то разрушение наступает при напряжении .

Расчет на выносливость экономически выгоден, позволяет получить деталь меньшего габарита и веса.

Кривые выносливости определяется экспериментально.

– уравнение кривой усталости

При работе на выносливость (усталость) сказывается влияние концентрации напряжений, упрочнения поверхностных слоев и масштабного фактора, поэтому истинное напряжение переменной составляющей:

- коэффициент концентрации напряжений

-коэффициент влияния упрочняющих слоев

- масштабный фактор

определяется по теории упругости.

и - экспериментально.

Влияние условий эксплуатации на техническое состояние машин.

Условия эксплуатации, при которых используется автомобиль, влияют на режимы работы агрегатов и деталей, ускоряя или за медляя интенсивность изменения параметров их технического состояния.

При эксплуатации автомобилей различают: дорожные усло вия и условия движения — транспортные, природно-климатические и сезонные.

Дорожные условия.Они определяют режим работы автомобиля. Дорожные условия характеризуются технической категорией дороги (их пять), видом и качеством дорожного покрытия, сопротивлением движению автомобиля, элементами дороги в плане (шириной дороги, радиусами закруглений, величиной подъемов и уклонов). Тип покрытия дороги оказывает существен ное влияние на режимы работы автомобиля и его агрегатов.

В свою очередь, режимы работы автомобиля влияют на надежность и другие свойства автомобиля и его агрегатов.

Условия движения.Характеризуются они влиянием внешних факторов на режимы движения и, следовательно, на режимы ра боты автомобиля и его агрегатов.

Транспортные условия (условия перевозок).Наряду со скоростью движения транспортные условия характеризуются длиной груженой ездки, коэффициентом использования пробега, коэффициентом использования грузоподъемности; коэффициен том использования прицепов; родом перевозимого груза.

Природно-климатические условия . Характеризуются они тем пературой окружающего воздуха, влажностью, ветровой нагруз кой, уровнем солнечной радиации и некоторыми другими пара метрами. Природно-климатические условия влияют на тепловые и другие режимы работы агрегатов и, соответственно, на их техническое состояние и надежность.

Сезонные условия. Они характеризуются колебаниями температуры окружающего воздуха, изменением состояния дорожных условий, появлением ряда дополнительных факторов, влияющих на интенсивность изменения параметров технического состояния автомобилей.

Классификация отказов

Классификация отказов необходима для разработки мер по их предупреждению и устранению. Существует несколько классификационных признаков, главные из которых сводятся к сле дующим.

По влиянию на работоспособность изделия различают отказы его элементов, вызывающие неисправность или отказ изделия.

По источнику возникновения различают отказы: конструктивные, возникающие вследствие несовершенства конструкции; производственные, являющиеся следствием нарушения или несовершенства технологического процесса изготовления или ремонта изделия; эксплуатационные, вызванные нарушением действующих правил (например, перегрузкой автомобиля, применением нерекомендуемых топлив или смазочных материалов, несвоевременным проведением технического обслуживания и т п.).

По связи с отказами других элементов различают зависимые и независимые отказы. Зависимым называется отказ, обусловленный отказом или неисправностью других элементов изделия. Независимый отказ не обусловлен отказом или неисправностью других элементов.

По характеру (закономерности) возникновения и возможности прогнозирования различают постепенные и внезапные отказы.

По частоте возникновения (наработке)

По трудоемкости и продолжительности устранения .

Постепенные отказы возникают в результате плавного монотонного изменения параметров технического состояния объекта. Чаще всего они являются следствием изнашивания деталей.

Особенности постепенных отказов заключаются, во-первых, в том, что они в принципе могут быть предотвращены в результате своевременного выполнения ТО. Вторая их особенность со стоит в монотонности изменения технического состояния, что создает предпосылки для их прогнозирования.

Для внезапных отказов характерным является скачкообразное изменение параметра технического состояния. Примером внезапного отказа является какое-либо любое повреждение или разрушение вследствие превышения допустимого уровня на грузки, которое в принципе может произойти в любой момент работы изделия.

По влиянию на потери рабочего времени автомобиля отказы подразделяют на устраняемые без потери рабочего времени, т. е. при ТО или в нерабочее (межсменное), время, и отказы, устраняемые с потерей рабочего времени.

На остальные 13% отказов приходится более 78% общей трудоемкости ремонта и 82% всех простоев в ремонте.

ВИДЫ ФИЗИЧЕСКОГО ИЗНОСА И РАЗРУШЕНИЙ ДЕТАЛЕЙ Виды физического износа. В зависимости от скорости протекания процессов изнашивания различают два вида физического износа — естественный (нормальный) и преждевременный (аварийный). Естественным износом принято называть изменения в размерах деталей или соединений механизмов, которые образуются в результате длительной эксплуатации машины в нормальных условиях под действием трения, коррозии, эрозии, изменения температуры и других факторов. Нормальный износ показывает, что эксплуатация машины ведется с соблюдением установленных правил. Он имеет определенный характер, и его величина может быть заранее рассчитана и заложена в основу определения норм износа и срока службы машины. Это позволяет планировать сроки и объем ремонта. Нормальный износ неизбежен, но процесс изнашивания можно замедлить за счет правильного выбора материала и смазки, применения способов обработки, повышающих износостойкость материала, соблюдения правил эксплуатации и других мероприятий. При их невыполнении нормальный износ переходит в повышенный, что может привести к преждевременному износу. Повышенный износ — это износ, происходящий под действием тех же причин, что и нормальный, но с большей интенсивностью из-за невыполнения указанных выше методов замедления процесса изнашивания. Преждевременным, или аварийным, называется износ, срок достижения которого значительно меньше нормативного, а значение таково, что дальнейшая эксплуатация машины сопряжена с опасностью аварии (отказа). Наиболее характерные причины аварийного износа следующие: — ошибки при проектировании; — некачественное изготовление или восстановление деталей, наличие в них дефектов; — некачественная сборка узлов и машины в целом; — нарушение правил эксплуатации машины, ее технического обслуживания, перегрузки при работе; — неправильное функционирование основных систем машины (управления, охлаждения, смазывания, диагностики и др.); — несвоевременное или некачественное техническое обслуживание или ремонт машины; — усталостные явления в материале деталей. Аварийный износ может происходить в виде необратимых деформаций и разрушений деталей. Деформации и разрушения деталей. Деформации и разрушения деталей возникают вследствие их растяжения, сжатия, изгиба, кручения, когда действующие напряжения превышают предел упругости, текучести, усталости или прочности материала. Причиной этого может быть резкое возрастание рабочих нагрузок, перераспределение в процессе эксплуатации внутренних напряжений в материале, неравномерное тепловое воздействие. Деформации вызывают изменение формы и размеров детали и могут быть упругими (обратимыми) и необратимыми (остаточными или пластичными). Упругие деформации возникают, если действующие напряжения в детали не превышают предел упругости материала. Они неизбежны и всегда имеют место при приложении нагрузки. При повышенной температуре упругая деформация может сопровождаться и остаточной деформацией. Остаточная деформация может и не приводить к разрушению детали, но нарушает нормальную работу машины. Например, прогиб вала вызывает радиальное биение установленного на нем зубчатого колеса, что может быть причиной его интенсивного изнашивания, а коробление поверхностей разъема корпусных деталей обуславливает нарушение герметичности и повышенный расход масла. Примером необратимого деформирования является смятие — процесс, при котором в поверхностных слоях контактирующих деталей происходят пластическая деформация и течение металла. В результате при сохранении веса деталей изменяются их размеры. Смятию подвержены, например, детали резьбовых соединений, шейки валов под подшипники, что приводит к ослабеванию посадок в сопряжениях. Разрушение приводит к нарушению целостности детали. Разрушения бывают вязкими, хрупкими и усталостными. В зависимости от свойств материала и характера приложения нагрузки различают вязкое или хрупкое разрушение деталей машин в виде излома. Вязкое разрушение наступает при напряжениях, превышающих предел текучести материала. Ему предшествует пластическая деформация металла, обычно в виде кручения или изгиба, реже растяжения или сжатия. Место излома при вязком разрушении имеет волокнистое строение со следами сдвига материала. Для предупреждения вязкого разрушения рекомендуется: — ограничить нагрузку на детали при помощи специальных предохранительных устройств (срезных штифтов, шпилек, предохранительных муфт); — изготавливать детали из материалов с повышенными механическими свойствами, применять эффективные методы термической обработки и другие технологические методы; — применять наклеп в определенных местах для уменьшения напряжений в детали при работе; — увеличивать жесткость деталей. Хрупкое разрушение детали совершается под действием нормальных напряжений. Ему предшествует небольшая пластическая деформация (не более 5 % от общей деформации), и оно обычно связано с перегрузкой при ударном приложении нагрузки, наличием концентраторов напряжений на поверхности детали в виде следов механической обработки и микротрещин технологического или эксплуатационного характера. Процесс разрушения включает в себя две стадии: зарождение трещины и ее развитие до разрушения детали по всему сечению. Плоскость разрушения оказывается перпендикулярной направлению приложения нагрузки. Повышение сопротивления детали хрупкому разрушению достигается применением предохранительных и амортизирующих устройств, а также материалов с повышенной прочностью и пластичностью; путем устранения или уменьшения влияния концентраторов напряжений. Усталостное разрушение материала. Многие детали выходит из строя из-за разрушений, вызванных усталостью материала. Под усталостью металлов понимается процесс их разрушения, состоящий в образовании и развитии первичных трещин в результате длительного действия переменных нагрузок. Характерными признаками разрушения стали от усталости являются отсутствие заметных остаточных деформаций, наличие на поверхности излома зоны развития трещины с гладкой поверхностью и зоны поломки со следами хрупкого кристаллического излома. Усталостные разрушения происходят при напряжениях, значительно меньших, чем предел прочности металла. Причинами снижения усталостной прочности деталей является наличие концентраторов напряжений из-за несоблюдения радиусов переходов между участками детали, грубой обработки поверхности, наличия на ней надрезов, царапин, меток и других дефектов. Усталостное разрушение деталей может проявляться также в виде образования раковин на поверхности (питтинг или осповидный износ), которые являются результатом усталости металла от многократного циклического нагружения при трении качения или качения со скольжением между контактирующими деталями. Этот процесс разрушения характерен для шариковых и роликовых подшипников, зубчатых колес в районе делительной окружности. Образование усталостных раковин, как и при обычных усталостных разрушениях, начинается с образованием первичных трещин. Например, при работе подшипника каждая точка беговой дорожки периодически нагружается при контакте с каждым шариком и разгружается при выходе из контакта с ним, что вызывает пластическое деформирование и упрочнение поверхностного слоя дорожки. В результате упрочнения в металле возникают остаточные напряжения, которые вследствие цикличности процесса растут, вызывая при перенаклепе металла образование микро- и макротрещин. Отличие от других видов усталостного разрушения состоит в том, что в данном случае трещина развивается не в глубину детали, а, охватывая небольшой объем металла, замыкается на ее поверхности. Ограниченный трещиной участок поверхностного слоя в результате многократного нагружения отрывается от поверхностного слоя, образуя в нем углубления. Выламыванию частиц металла способствует попадание в трещину масла, которое под действием высокого давления расклинивает ее. Со временем углубления увеличиваются, сливаются в группы, что вызывает прогрессирующее разрушение поверхностного слоя и может привести к аварийному износу, например, заклиниванию подшипника, поломке зубьев шестерен и т. п. Основные меры борьбы с осповидным изнашиванием состоят в применении металлов с повышенными механическими свойствами, их химико-термической обработке, а также повышении точности сборки машины. Выделяют четыре периода усталостного разрушения металла: Первый — инкубационный период, связанный с накоплением искажений кристаллической решетки, повышением микротвердости и предела текучести, а также снижением модуля упругости. Второй — период разрыхления, Нарушается сплошность металла, зарождаются субмикроскопические трещины, которые развиваются до трещин микроскопических размеров. В результате снижаются микротвердость, прочность и модуль упругости. Третий — период развития микротрещин до макротрещин критического размера. Интенсивно снижаются прочность и пластичность материала. Четвертый — окончательное разрушение (излом) без увеличения нагрузки, связанное с распространением трещин критического размера. Применяются следующие методы уменьшения вероятности усталостных разрушений. Конструктивные: обеспечение виброустойчивости расчетными методами, применением специальных виброгасителей, обеспечением рациональных значений геометрических параметров деталей, жесткости опор и узлов машины, исключение у деталей концентраторов напряжений и др. Технологические: балансировка вращающихся деталей, устранение или уменьшение технологических концентраторов напряжений (прижоги при шлифовании, риски на обработанной поверхности, закалочные трещины, внутренние дефекты металла, клеймение деталей в опасных зонах), применение методов упрочнения деталей поверхностно-пластическим деформированием, термической (поверхностная закалка) и химико-термической (азотирование) обработки, обеспечивающих повышение усталостной прочности. Профилактические: систематический осмотр деталей для выявления повреждений, своевременная замена деталей и проведение других мероприятий по техническому обслуживанию машин. Рассмотренные виды разрушения обусловлены изменением свойств материала деталей в процессе эксплуатации под действием нагрузок. Разрушения деталей происходят также в результате их взаимодействия между собой или с посторонними элементами. К таким разрушениям относятся, в частности: — разрушение микрорезанием, возникающее при соответствующей конфигурации контактирующего выступа или при наличии на поверхности трения абразивных частиц; — глубинное разрушение вырыванием, возникающее при взаимном скольжении тел и образовании металлической связи в местах контакта. Оно происходит не по месту спайки, а внутри, под поверхностью одного из тел.

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Характеристики изнашивания. Количественно изнашивание характеризуется величиной износа, скоростью и интенсивностью. Величина износа определяет изменение геометрических размеров (линейный износ), массы (весовой износ) или объема (объемный износ) и измеряется в соответствующих единицах. Линейный износ измеряется в направлении, перпендикулярном поверхности трения. Скорость и интенсивность изнашивания используются для сравнения и количественной оценки процессов изнашивания. Скорость изнашивания (удельный износ) — отношение значения износа к интервалу времени, в течение которого он возник, (мм/ч, г/ч, мм3/ч). Различают мгновенную (в определенный момент времени) и среднюю (за определенный интервал времени). Удельный износ может устанавливаться за определенный период работы, например, 1000 часов. При известной допускаемой величине износа знание скорости изнашивания позволяет определить долговечность детали, установить продолжительность межремонтного периода и, следовательно, планировать как сроки, так и объем ремонтных работ. Интенсивность изнашивания — отношение величины износа к длине пути, на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы. Различают мгновенную и среднюю интенсивности изнашивания. Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения характеризуется износостойкостью — величиной, обратной скорости (интенсивности) изнашивания, в соответствующих единицах. Для сравнения различных материалов по износостойкости используется величина «относительная износостойкость», которая определяется отношением износостойкости испытуемого материала к износостойкости материала, принятого за эталон (закаленная сталь 45) при испытании их в одинаковых условиях. Скорость и интенсивность изнашивания зависят от материала и состояния поверхностей сопряженных деталей, характера их контакта, вида и условий трения (скольжение, качение или их сочетание, режим смазывания и качество смазочного материала, температура), нагрузки (постоянная, переменная), характера движения (равномерное или неравномерное), скорости относительного перемещения и других конструкционных и эксплуатационных факторов. При прочих равных условиях скорость изнашивания зависит от удельного давления и скорости относительного перемещения в зоне трения, что следует учитывать при проектировании пар трения. Износостойкость материала существенно зависит от его структуры и твердости. Так, у стали она повышается с возрастанием содержания углерода, а также при легировании вольфрамом, марганцем, никелем, хромом и другими металлами. Термическая и химико-термическая обработка позволяют повысить износостойкость в 2—4 раза. Закономерность изнашивания. Изнашивание детали во времени за срок ее службы обычно протекает неравномерно. В большинстве случаев можно выделить три характерных периода изнашивания (рис. 1.1). Начальный период времени I (период приработки 0—tн) характеризуется интенсивным изнашиванием с уменьшающейся скоростью изнашивания. Это обусловлено тем, что из-за шероховатости и волнистости поверхностей деталей фактическая площадь контакта в начальный момент не превышает 10 % номинальной площади трущейся поверхности. Поэтому удельное давление имеет высокое значение, что и является причиной интенсивного изнашивания неровностей. В процессе приработки площадь контакта деталей постепенно увеличивается, а удельное давление и, следовательно, скорость изнашивания снижаются. Рис. 1.1. Закономерности изнашивания при трении Окончание периода приработки характеризуется стабилизацией скорости изнашивания, и наступает период II нормального изнашивания tн—tк, когда величина износа h прямо пропорциональна времени работы. В период работы III форсированного изнашивания резко возрастает скорость изнашивания, которое носит катастрофический (аварийный) характер. Это может быть связано с нарушением режима смазывания, повышением температуры и появлением вибраций из-за больших зазоров между деталями. Работа машины в этот период не допускается. Допустимый и предельный износы. Износ детали называют допустимым, если она может быть установлена в машину без ремонта и будет сохранять работоспособность в течение очередного межремонтного периода. Допустимый износ меньше предельного, при котором дальнейшая эксплуатация машины сопряжена с возможностью внезапного отказа в работе (аварии). Таким образом, предельный износ соответствует предельному состоянию данного объекта. Наработка до предельного состояния соответствует сроку службы детали. Для назначения предельных износов используют следующие критерии: — технические количественные, которые позволяют учесть остаточную прочность детали, условия ее нагружения, смазки и др. факторы; — качественные косвенные, характеризующие влияние износа на функционирование данного элемента машины, например, надежность срабатывания предохранительной муфты, механизма включения скорости и т.п.; — технико-экономические, которые учитывают влияние износа на производительность, КПД и другие характеристики машины. В большинстве случаев предельные износы устанавливают опытным путем на основе экспериментальных исследований и результатов длительных наблюдений за работой машины в процессе ее эксплуатации. Значения предельных и допустимых износов быстроизнашивающихся деталей обычно указываются в технических условиях наихдефектацию. Изнашивание деталей приводит к изменению посадок в сопряжениях: возрастают зазоры в подвижных, и уменьшается натяг в неподвижных соединениях. Со временем износ деталей сопряжения достигает предельного значения, при котором эксплуатация становится опасной и может привести к аварии. Рис. 1.2 иллюстрирует изменение зазора S в сопряжении двух деталей в процессе эксплуатации. Величина зазора в любой момент времени равна расстоянию между кривыми износа деталей 1 и 2, смещенными в начальный момент (t = 0) относительно друг друга на величину начального зазора Sнач. Закономерность изменения величины зазора в периоды приработки I (tпр), нормального (экономичного) изнашивания II (tэ) и форсированного изнашивания III (tвс) определяется кривыми износа этих деталей. В момент окончания периода приработки (точки А, А' на кривых износа) зазор в сопряжении составляет Sn, а к моменту окончания периода равномерного изнашивания (точки В, В’ на кривых износа) он достигает предельного значения Sпр| выше которого работа сопряжения не допускается. Поэтому срок службы сопряжения tс = tпр + tэ. Рис. 1.2. Изменение зазора в сопряжении деталей в процессе эксплуатации Из рис. 1.2 видно, что увеличение срока службы сопряжения может быть достигнуто уменьшением начального зазора Sнач и скорости изнашивания в периоды I и II, в частности, путем повышения износостойкости трущихся поверхностей. При определении предельного зазора в сопряжении вал — подшипник скольжения учитывается, что для обеспечения нормальных условий его работы поверхности трения должны быть разделены слоем смазки, толщина hmin которого определяется условиями сохранения жидкостного трения. Известно, что оптимальный зазор Sопт в таком сопряжении должен быть в четыре раза больше hmin. С учетом этого где ƞ — динамическая вязкость масла, Па с; n — частота вращения вала, с-1; d — его диаметр, м; l — длина подшипника, м; S — зазор, м; р — удельная нагрузка в сопряжении, Па. Предельный зазор в соединении при известном оптимальном его значении определяется по формуле Snp = S 2опт/4δ, где δ — величина, зависящая от шероховатостей поверхностей вала и подшипника и размера абразивных частиц, находящихся между трущимися поверхностями. В тех случаях, когда жидкостное трение в подшипнике невозможно (низкая частота вращения вала, сопряжения с колебательными движениями и др.), предельный зазор назначается в 2—3 раза больше оптимального. На практике при ремонте машин предельное состояние сопряжения оценивают не по предельному значению зазора Sпр, а по допускаемому при ремонте значению Sдр (точки Б, Б' на рис. 1.2). Его значение назначается таким, чтобы остаточный ресурс деталей сопряжения был не меньше установленного для машины межремонтного ресурса. При выполнении этого условия детали сопряжения признаются годными и используются повторно. В противном случае они подлежат восстановлению или списанию.

ПРОЦЕССЫ ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И МЕТОДЫ БОРЬБЫ С НИМ

Виды изнашивания. По механизму протекания различают следующие виды изнашивания деталей машин и оборудования: коррозионное, механическое, молекулярно-механическое; коррозионно-механическое и изнашивание при действии электрического тока. К коррозионному изнашиванию относятся химическая и электрохимическая коррозия. К механическому относятся следующие виды изнашивания: от трения сопряженных поверхностей (истирание), абразивное и его разновидности (гидроабразивное, газоабразивное), эрозионное, кавитационное, усталостное, фреттинг-изнашивание при образовании металлических связей (заедание) и др. К коррозионно-механическому изнашиванию относятся окислительное и фреттинг-коррозия. Изнашивание при действии электрического тока называется электро-эрозионным. Рассмотрим механизмы протекания основных видов изнашивания и пути борьбы с ними, что имеет важное значение при проектировании технологических процессов изготовления и восстановления деталей машин и их эксплуатации. Коррозионное изнашивание Виды коррозии. Коррозия — это постепенное физико-химическое разрушение металла под воздействием окружающей среды. Ей подвержены все конструкционные металлические материалы. В зависимости от вида различают общую (сплошную) и местную коррозию. Общая коррозия имеет место, когда разрушению подвергается вся поверхность детали. Она может быть равномерной или неравномерной, в том числе структурно избирательной (рис. 1.3). Рис. 1.3. Основные виды коррозионных разрушений: а — общая коррозия; местная коррозия: б — коррозия пятнами; в — язвенная коррозия; г — точечная коррозия; д — межкристаллитная коррозия Местная коррозия имеет место, если разрушению подвергаются отдельные участки поверхности. Она может быть следующих основных типов: — коррозия пятнами — разрушение металла распространяется сравнительно неглубоко, но занимает относительно большие участки поверхности; — коррозия язвами характеризуется тем, что глубокие поражения распространяются на набольших площадях; — точечная коррозия — разрушение металла в виде отдельных точек; — подповерхностная коррозия — это разрушение металла, которое начинается с поверхности, а распространяется преимущественно под ней на небольшой глубине, что вызывает вспучивание и расслаивание металла; — межкристаллитная коррозия характеризуется тем, что разрушение происходит по границам зерен металла, в результате чего может произойти значительная потеря прочности и, как следствие, — аварийный износ; — коррозионное растрескивание, при котором разрушение металла происходит по направлению действия максимальных остаточных напряжений, а коррозионные трещины распространяются не только по границам зерен, но и пересекают их; — избирательная коррозия, при которой разрушается и переходит в окружающую среду один из компонентов сплава, например, обесцинкование латуни. Местные виды коррозии более опасны, чем общая коррозия. По механизму протекания различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую. Химическая коррозия. Химическая коррозия — это процесс разрушения металла вследствие химического взаимодействия его с сухими газами и жидкостями, которые не являются электролитами (бензин, масла, смолы). В результате разрушения поверхность металла покрывается окисной пленкой. Рост пленки по толщине зависит от возможности проникновения через нее коррозионных агентов. У ряда металлов и сплавов окисная пленка обладает способностью тормозить дальнейшее окисление материала. У других пленка разрушается в процессе роста, что проявляется в ее вспучивании, шелушении, растрескивании и отслаивании. Разновидностью химической коррозии является газовая коррозия. Газовая коррозия — это коррозия металлов при полном отсутствии конденсации влаги на поверхности детали. Интенсивность газовой коррозии зависит от внутренних и внешних факторов. К внутренним факторам относятся состав и структура сплава. Для повышения коррозионной стойкости сплавы легируют хромом, алюминием, кремнием, которые создают прочную и стойкую окисную пленку. Внешними факторами являются следующие: — Состав газовой среды. Интенсивность газовой коррозии существен-но зависит от содержания в газе кислорода, однако пропорциональной связи нет. Сильными агрессивными свойствами обладают также водяной пар, углекислота, сернистый газ, окись ванадия, хлор, сероводород. — Температура газа, с увеличением которой интенсивность газовой коррозии значительно возрастает. — Скорость движения газовой среды. Она оказывает заметное влияние на интенсивность коррозии в начальный момент ее развития. В дальнейшем интенсивность коррозии определяется скоростью диффузионных процессов в окисной пленке, а не скоростью движения газовой среды. Однако, если скорость газового потока достаточна для возникновения эрозионного процесса, интенсивность коррозии сильно зависит от скорости газового потока. Защита от химической коррозии. Наибольшее применение получили следующие способы борьбы с химической коррозией: — Окрашивание металлических конструкций и машин, подвергающихся атмосферному воздействию. Это основной метод защиты от коррозии наружных поверхностей корпусных деталей и металлоконструкций. — Применение коррозионно-стойких сплавов, например, легированных сталей, способных образовывать стойкие защитные пленки из продуктов коррозии. — Создание защитной пленки травлением детали (оксидирование) или анодной обработкой (анодирование). Эти способы широко применяют для защиты деталей из стали, алюминиевых и магниевых сплавов. — Нанесение защитных покрытий. Например, стальные и чугунные детали покрывают алюминием, никелем, хромом, медью, оловом, цинком, кадмием и другими металлами следующими методами: погружением в расплавленный металл изделий и полуфабрикатов (оцинковка, лужение, али-тирование); нанесением гальванических (электролитических) покрытий; распылением металлов (металлизацией); созданием химико-термической обработкой диффузионных покрытий, содержащих цинк, алюминий, хром. Диффузионное покрытие цинком эффективно для мелких стальных изделий; алюминием — для стальных изделий, требующих повышенной жаростойкости. Электрохимическая коррозия. Электрохимическая коррозия — это процесс разрушения металлического материала в электролите при прохождении электрического тока. Механизм разрушения состоит в переходе металла в раствор. Скорость этого перехода зависит от положения металла в ряду напряжений металлов относительно среднего положения, которое занимает водород. Металлы, стоящие ниже среднего положения, являются электроотрицательными, а выше — электроположительными. Чем ниже потенциал металла, тем интенсивнее он разрушается. Металлы и сплавы не однородны по химическому составу и физическому состоянию поверхности. Поэтому в электролите отдельные участки образуют гальванические элементы. Одни участки служат анодами и разрушаются, а другие — катодами, и они не разрушаются, на них выделяется водород. Анодом по отношению к металлам выступают окислы, поэтому при их наличии интенсивность электрохимического разрушения металла может возрастать в 30—40 раз. На процесс электрохимической коррозии влияют внутренние и внешние факторы. Внутренними факторами являются: — состав и структура металла — чем неоднороднее металл, тем интенсивнее коррозия; — напряжения в металле — чем выше внутренние напряжения в металле, тем интенсивнее он разрушается, так как механические напряжения повышают потенциал металла. К внешним факторам относятся концентрация, температура и скорость движения электролита, при повышении которых интенсивность коррозии возрастает. Защита от электрохимической коррозии. Для противостояния электрохимической коррозии применяются методы пассивной и активной защиты. Пассивная защита осуществляется всеми указанными выше методами. Активная защита от электрохимической коррозии осуществляется двумя методами. Защита с помощью протекторов — анодов, изготовленных из материалов с более низким потенциалом, чем защищаемое изделие (цинка, магния, алюминия и их сплавов), которые поэтому разрушаются. Протекторы устанавливаются или непосредственно на изделии или соединяются с ним через электрическое сопротивление с целью ограничения силы тока в гальванической паре и, следовательно, регулирования интенсивности разрушения протектора. Катодная защита — наложением извне электрического тока. Для защиты используется источник постоянного тока, отрицательный полюс которого соединяется с защищаемым изделием, а положительный — с дополнительной деталью (анодом), которая, разрушаясь, защищает тем самым основное изделие. Механическое изнашивание Механическое изнашивание обусловлено взаимодействием между собой контактирующих поверхностей, а также механическим воздействием на них других твердых тел, жидкостей и газов. Рассмотрим основные виды механического изнашивания и меры борьбы с ним при ремонте машин. Изнашивание истиранием. Относительное перемещение поверхностей деталей сопровождается отделением от них частиц металла. Это явление обусловлено рядом причин: упругой и пластической деформацией выступов на трущихся поверхностях; высокими значениями удельного давления и температуры в зоне контакта этих выступов; отделением металла поверхностных слоев в виде стружки более твердыми структурными компонентами металла. При относительном перемещении трущихся поверхностей отдельные выступы неровностей подвергаются только упругим, исчезающим после снятия нагрузки, деформациям. Многократное их повторение приводит к отделению частиц металла вследствие его усталостного разрушения. Другие же выступы подвергаются дополнительно остаточным пластическим деформациям (изгибу, смятию и сгибу), повторение которых также вызывает отделение частиц металла. Этому способствует и то, что из-за малой площади соприкосновения выступов неровностей удельное давление на них может значительно превышать допускаемое. Высокая скорость изменения удельного давления вызывает резкое повышение температуры, что приводит к сплавлению выступов и последующему разрыву сплавившихся участков с вырыванием частиц металла. Истирание (рис. 1.4) происходит в результате перемещения одной детали относительно другой вследствие шероховатости их поверхностей. При перемещении детали А зерно 2 образует канавку 1 в детали Б. Образовавшийся выступ 3 уплотненного металла вырывает зерно 2 и при дальнейшем движении образует канавку уже в детали А. Так происходит износ сопряженных трущихся поверхностей. Механическое изнашивание деталей в результате истирания с наибольшей интенсивностью происходит при приработке новых или отремонтированных деталей. Механизм изнашивания состоит в том, что под действием высокого давления, возникающего в местах контакта соприкасающихся деталей, происходит механическое разрушение выступов на их поверхностях с отделением частиц металла. Рис. 1.4. Схема механического изнашивания поверхностей сопряженных деталей: А, Б —детали; 1 — канавка; 2 — зерно; 3 — выступ уплотненного биметалла. С течением времени процесс изнашивания замедляется и стабилизируется, что связано с увеличением площади поверхности трения и, как следствие, снижением температуры и давления в местах контакта. К этому времени поверхности в результате изнашивания приобретают определенную шероховатость и микрорельеф. Обработка поверхностей с такими параметрами при изготовлении и восстановлении деталей является эффективным методом повышения срока их службы. Влияние вида и условий трения. Скорость и интенсивность изнашивания при трении зависят от ряда факторов, в частности, вида трения и наличия смазки между трущимися деталями, а также параметров микрорельефа их поверхностей. Рассмотрим влияние смазки на изнашивание деталей. Правильный выбор смазочного материала и обеспечение рационального режима смазывания пар трения повышают срок их службы, а несоблюдение этих условий может быть причиной заедания соединения и поломки деталей. Взаимодействие трущихся деталей обусловлено, прежде всего, видом трения. В зависимости от вида относительного движения контактирующих деталей различают трение скольжения, трение качения и трение качения с проскальзыванием. Последний вид трения имеет место, например, между зубьями колес в зубчатых передачах, между телами качения и кольцами роликовых и шариковых подшипников. В зависимости от наличия между трущимися телами смазки различают жидкостное, полужидкостное, граничное, полусухое и сухое трение. Жидкостное трение — явление сопротивления относительному перемещению двух тел, разделенных слоем смазочного материала. Здесь трение происходит только в слое жидкости и поэтому коэффициент трения имеет малые значения (в пределах 0,003—0,01). Жидкостное трение имеет место в гидродинамических и гидростатических подшипниках и опорах, которые различаются способом создания несущего масляного слоя. В гидродинамических подшипниках он образуется при определенной угловой скорости вала, а в гидростатических создается за счет подачи масла под давлением в зазор между подшипником и валом независимо от частоты его вращения. Такие подшипники практически не изнашиваются и хорошо гасят вибрации. Граничное трение — это трение движения двух твердых тел при незначительном слое между ними смазочного материала (порядка 10 мкм), обладающего свойствами, отличающимися от объемных свойств жидкостей при жидкостном трении. При такой толщине слой теряет несущую способность, а смазка служит для образования на трущихся поверхностях прочной адсорбированной пленки, которая предупреждает возникновение сухого трения. Эффективность смазки зависит в этом случае не от ее вязкости, а от маслянистости, определяющей свойства образуемой пленки. Поэтому правильный выбор смазочного материала при граничном трении наиболее важен. За счет этого интенсивность изнашивания может быть снижена по сравнению с сухим трением в сотни раз. Сухое трение происходит при относительном движении твердых тел с шероховатыми несмазанными или слабо смазанными поверхностями при отсутствии воздействия окружающей среды. Коэффициент сухого трения находится в пределах 0,1—0,3, а иногда имеет и большие значения. Такой вид трения встречается в тормозах, фрикционных передачах, у деталей скребковых конвейеров. Он характеризуется наибольшей интенсивностью изнашивания трущихся поверхностей, особенно когда между ними возникает молекулярное взаимодействие, приводящее к заеданию. Кроме рассмотренных видов трения в машинах часто имеют место переходные его виды — полужидкостное и полусухое трение. Первый вид занимает промежуточное положение между жидкостным и граничным трением, а другой — между граничным и сухим. Основной характеристикой всех видов трения является сила сопротивления относительному перемещению контактирующих поверхностей (сила трения). Чем меньше сила трения, тем меньше скорость изнашивания. Роль микрорельефа в изнашивании трущихся поверхностей определяется его влиянием на механизм их взаимодействия и условия смазывания. Прогрессивным методом повышения износостойкости пар трения является создание на трущихся поверхностях, например, поверхностно-пластическим деформированием, регулярного микрорельефа, параметры которого назначаются исходя из условий эксплуатации. Поверхность с микрорельефом лучше, чем гладкая, удерживает смазку, что в сочетании с упрочненным поверхностным слоем существенно повышает износостойкость трущихся деталей. Абразивное изнашивание. Абразивное изнашивание — это процесс интенсивного механического разрушения поверхности при трении скольжения, обусловленный микропластическим деформированием и срезанием микрообъема металла под действием абразивных частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Ими могут быть как продукты изнашивания (частицы разрушенной окисной пленки и вырванного металла), так и посторонние частицы, попавшие из окружающей среды с воздухом или смазкой. На интенсивность изнашивания влияют физико-механические свойства абразивных частиц и материалов трущихся деталей, давление, температура и скорость относительного перемещения в зоне контакта, агрессивность внешней среды и другие факторы. Существенное значение имеет соотношение твердостей абразивных частиц и поверхностного слоя детали. Так, если твердость частиц значительно превосходит твердость металла, то интенсивность изнашивания максимальна и практически не зависит от разности их твердости. С ее уменьшением интенсивность изнашивания снижается. Способность абразивной частицы вдавливаться в поверхность детали зависит не только от соотношения твердостей, но и от геометрической формы частицы. Острой вершиной она может быть вдавлена в более твердый материал. Этим объясняется изнашивание металла частицами, имеющими по сравнению с ним меньшую твердость. Мерами борьбы с абразивным изнашиванием являются повышение твердости поверхностного слоя деталей, защита их специальными покрытиями, применение устройств, надежно защищающих узлы трения от попадания абразивных частиц, и очищение трущихся поверхностей и смазочных материалов от продуктов изнашивания. Гидроабразивное и газоабразивное изнашивание. Эти виды изнашивания происходят в результате действия на деталь твердых частиц, взвешенных в жидкости (газе). Гидроабразивному изнашиванию подвергаются детали центробежных насосы, трубопроводы. Газоабразивному изнашиванию наиболее подвержены детали пневмотраспортирующих устройств, технологического оборудования, например, лопатки турбин и др. В результате гидроабразивного воздействия детали интенсивно разрушаются вследствие резания, подобного шлифованию. Одновременно с этим твердые компоненты, ударяя по поверхности детали, вызывают усталостные явления в поверхностном слое, что также приводит к ее разрушению. Интенсивность гидроабразивного изнашивания зависит от свойств абразивного материала (твердость, форма и размеры частиц), механических свойств материала детали и ее конструкции. Интенсивность изнашивания значительно возрастает при увеличении скорости, размеров и концентрации абразивных частиц. Агрессивная среда, вызывая электрохимические процессы в зоне трения, интенсифицирует изнашивание, превращая его в коррозионно-механическое. Нагревание деталей, снижая механические свойства металла, также способствует интенсификации процесса изнашивания. Эрозионное изнашивание. Эрозией называется разрушение поверхности детали вследствие механического воздействия на нее высокоскоростного потока жидкости, пара или газа. Это воздействие в чистом виде слагается из трения сплошного потока и его ударов по поверхности. В результате трения происходит расшатывание отдельных объемов материала и вырывание их. Интенсивность изнашивания при этом мала. Основным же фактором является динамическое воздействие потока. Механизм разрушения состоит в том, что в пластичных материалах, обладающих способностью наклепываться, вначале происходит накопление микропластических деформаций отдельных участков поверхностного слоя, которые в дальнейшем разрушаются и вымываются. Жидкость, внедряясь в микротрещины, ведет себя подобно клину, расширяя их боковые стенки, и выламывает частицы металла. Эрозионное изнашивание носит прогрессирующий характер. Ему подвержены гидравлические части насосов, клапаны и седла арматуры, поршневые кольца компрессоров и т.д. Интенсивность эрозионного изнашивания зависит не только от физико-механических свойств материала детали, но и от шероховатости поверхности: чем выше качество ее обработки, тем лучше она противостоит эрозионному изнашиванию. Эрозионное изнашивание часто связано с коррозионным. Поэтому для борьбы с эрозией не только повышают качество обработки поверхности и применяют упрочнение поверхностного слоя детали, но и вводят в материал последнего легирующие элементы, повышающие прочностные и антикоррозионные свойства сплава. Если в потоке жидкости или газа находятся абразивные частицы, то происходит эрозионно-абразивное изнашивание. В этом случае материалы должны обладать также стойкостью против абразивного изнашивания. Кавитационное изнашивание. Под кавитацией понимается образование в движущемся потоке жидкости пустот в виде пузырьков, полос и мешков, наполненных парами жидкости и газом. При попадании их в зону высокого давления пар конденсируется, а газ растворяется в жидкости, которая со значительным ускорением заполняет освободившиеся от них пустоты. Происходит сопровождающееся ударом восстановление сплошности потока. Если это имеет место у поверхности детали, то ее материал под действием ударов деформируется и наклепывается. Многократно повторяющиеся удары вызывают перенакпеп металла на отдельных микроучастках и, как следствие, образование трещин. Разрушение начинается с менее прочных структурных составляющих, а за ними вырываются и более прочные компоненты. Коррозионные и другие явления влияют на интенсивность кавитационного разрушения, однако механическое воздействие играет решающую роль. Например, коррозионностойкие материалы под кавитационнымвоздействием разрушаются в течение нескольких часов. При наличии вибрации кавитация может возникнуть в масляном слое между деталями и привести к выкрашиванию подшипников скольжения, боковых поверхностей зубьев колес и т.д. К мерам борьбы с кавитационным изнашиванием относятся применение высокопрочных материалов, назначение шероховатости обработки и выбор формы деталей, позволяющих исключить или минимизировать возможность возникновения кавитации. Молекулярно-механическое изнашивание Молекулярно-механическое (адгезионное) изнашивание характеризуется образованием прочных адгезионных металлических связей (схватывания или заедания) в зонах контакта трущихся деталей, разрушением этих связей при относительном перемещении деталей с глубинным вырыванием материала из одной детали и переносом его на поверхность другой. Наблюдается в тяжелонагруженных зубчатых и зубчато-винтовых передачах; подшипниках скольжения; парах трения плунжер — втулка, сопряжениях, эксплуатирующихся при высокой температуре, и др. Молекулярно-механическому изнашиванию подвержены все металлы при отсутствии в местах контакта оксидных, смазочных и иных пленок, а также полимерные и металл-полимерные материалы. Схватывание между деталями в зоне трения происходит в результате механического и теплового воздействий, вызывающих разрушение на трущихся поверхностях пленки окислов. Соответственно различают схватывание 1-го и 2-го рода. Схватывание 1-го рода — это процесс интенсивного разрушения трущихся поверхностей при трении скольжения, происходящий в результате пластического деформирования поверхностных слоев, возникновения между ними прочных металлических связей (мостиков сварки) за счет молекулярного взаимодействия и разрушения этих связей с вырыванием металла из поверхностных слоев. Причиной образования прочных металлических связей и взаимного переноса частиц металла между поверхностями является повышенная химическая активность атомов наружных слоев деталей. Вырывание частиц происходит при давлении, превышающем предел текучести металла. Это самый разрушительный вид изнашивания при трении: его интенсивность может составлять 10—15 мкм/ч. Существенное влияние на интенсивность адгезионного изнашивания оказывает также микрогеометрия трущихся деталей. Опыт показывает, что более интенсивно разрушаются гладкие поверхности. Основные способы борьбы со схватыванием 1-го рода: — применение разнородных материалов в парах трения, как, например, в червячных передачах; — создание на трущихся поверхностях оптимальной микрогеометрии, например, регулярного микрорельефа; — создание между трущимися поверхностями несущего масляного слоя, препятствующего образованию металлических связей; — повышение путем термической и химико-термической обработки прочностных свойств поверхностных слоев деталей (так, азотированием можно практически исключить перенос металла между трущимися поверхностями). Схватывание 2-го рода (тепловое изнашивание) — это процесс интенсивного разрушения поверхностных слоев при трении скольжения, возникающий из-за высокой температуры в зоне трения, под действием которой ухудшаются механические свойства поверхностных слоев металла. Это способствует образованию металлических связей, слипанию контактирующих поверхностей и отделению частиц металла с поверхностей трения. Интенсивность изнашивания металлических материалов составляет 1—5 мкм/ч. Схватыванию 2-го рода в значительной степени подвержены полимерные материалы, в частности, термопласты, низкая температура плавления которых облегчает образование адгезионных связей. Повышение износостойкости деталей в этом случае достигается: — применением сплавов, содержащих ванадий, хром и титан; — применением теплостойких износостойких смазочных материалов; — снижением температуры в зоне трения принудительным охлаждением. Коррозионно-механическое изнашивание В реальных процессах эксплуатации детали машин одновременно подвергаются нескольким видам изнашивания. Из комбинированных видов распространенными являются окислительное изнашивание и фреттинг-коррозия. Окислительное изнашивание — это процесс изменения линейных размеров трущихся тел, обусловленный разрушением окисных пленок, непрерывно возобновляемых вследствие взаимодействия поверхностного слоя металла с кислородом воздуха или смазочного материала. Окислительное изнашивание является частным случаем коррозионно-механического. Протекает оно в условиях, когда металл взаимодействует с окислителями окружающей среды или смазочного материала, при этом скорость образования окисных пленок больше или равна скорости их разрушения. Механизм окислительного изнашивания включает: пластическое деформирование поверхностного слоя; химическое взаимодействие материала детали с кислородом воздуха или другой окисляющей окружающей средой с образованием на поверхности трения окисных пленок; последующее разрушение этих пленок в результате трения с повторением процесса. Таким образом, окислительное изнашивание — это установившийся процесс динамического равновесия разрушения и восстановления окисных пленок. Интенсивность окислительного изнашивания металлов зависит от их твердости, скорости образования окисных пленок и скорости их разрушения. Скорость процесса окисления металлов определяется их структурой, активностью окружающей среды и температурой. Окислительному изнашиванию подвергаются боковые поверхности зубьев зубчатых колес на участках выше начальной окружности, где преобладает трение скольжения, цилиндры, шейки валов и другие детали, работающие при трении скольжения. При сухом трении окислительное изнашивание происходит при скорости скольжения до 4 м/с. Интенсивность изнашивания 0,1—0,5 мкм/ч. Для замедления окислительного изнашивания необходимо применять защитные покрытия, препятствующие проникновению кислорода в верхние слои металла трущихся поверхностей (фосфатирование, сульфатирование), а также цементирование и поверхностное упрочнение. Фреттинг-коррозия — процесс разрушения соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях, включающий несколько стадий (рис. 1.5). Рис. 1.5. Кинетика изнашивания металлов при фреттинг-коррозии: а — стадия нагружения; б — стадия образования каверн; в — стадия расширения области разрушения; г — стадия слияния каверн Этот вид изнашивания проявляется в виде схватывания, абразивного изнашивания и усталостно-коррозионного разрушения, происходящего на небольших по площади участках контакта трущихся поверхностей, что характерно для деталей неподвижных соединений, воспринимающих вибрационные нагрузки, вследствие которых между их поверхностями возникают микроперемещения. Первоначально происходит динамическоенагружение материала контактирующих неровностей 1 (рис. 1.5, а). При многократномнагружении материал вершин некоторых контактирующих неровностей пластически деформируется, что приводит к увеличению концентрации дефектов и повышению физико-химической активности материала на пятнах контакта. Нагружение сопровождается образованием мостиков сварки, которые при сдвиге трущихся поверхностей разрушаются с образованием небольших каверн 2 (рис. 1.5,6). Поверхность каверн окисляется, в них из-за невозможности удаления скапливаются частицы (продукты окисления), которые вызывают абразивное изнашивание поверхности. С течением времени в результате абразивного действия продуктов окисления, разрушения окисных пленок и схватывания контактирующих поверхностей образуются каверны 3 большего размера (рис. 1.5, в). Находящиеся в кавернах частицы оксидов занимают больший объем, чем металл, на основе которого они образовались. Это приводит к повышению давления и температуры на локальных участках, образованию поверхностных и подповерхностных трещин, их развитию и отделению частиц металла. Возможно слияние двух каверн 3 в одну (рис. 1.5, г), в которой описанный процесс разрушения продолжается. В результате поверхность детали, подвергаемой фреттинг-коррозионному изнашиванию, покрывается углублениями. Интенсивность изнашивания при фреттинг-коррозии возрастает с увеличением до определенной величины амплитуды относительного перемещения сопрягаемых тел. При достаточно большой амплитуде колебаний интенсивность изнашивания может снижаться, если обеспечивается выход оксидных частиц из каверн. При этом снижается их расклинивающее действие и в меньшей степени проявляются абразивный и усталостный виды изнашивания. Увеличение контактного давления также повышает интенсивность фреттинг-коррозии, так как вызывает схватывание, чему способствует рост температуры в местах контакта. Кроме того, рост температуры сопровождается более интенсивным окислительным изнашиванием. Изнашиванию при фреттинг-коррозии могут подвергаться поверхности наружных колец подшипников качения, контактирующие с ними поверхности корпусных деталей, резьбовые и заклепочные соединения, работающие при вибрационной нагрузке. Фреттинг-коррозия может возникать при наличии и отсутствии смазки между деталями. Повышение стойкости материалов к изнашиванию при фреттинг-коррозии достигается применением смазочных материалов с низким коэффициентом диффузии, содержащих противоокислительные присадки; нанесением неметаллических покрытий; введением твердых смазок в зону трения; использованием прокладок. Из изложенного выше следует, что процессы изнашивания многообразны и они достаточно хорошо изучены. При восстановлении деталей машин важен результат процесса изнашивания — величина износа, а также интенсивность изнашивания, причина возникновения износа. Эти данные позволяют провести оценку технического состояния машины, выявить причины возникновения отказов, обосновать требования технических условий на дефектацию деталей при ремонте, обосновать выбор материалов и способов восстановления изношенных поверхностей деталей, обеспечивающих необходимый уровень износостойкости; определить ресурсы деталей, сборочных единиц и машины в целом.
Надежность оценивают по таким характеристикам изделия, как работоспособность, долговечность, безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость.

Работоспособность – состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации.

Для описания состояния конкретного изделия различают понятия исправного, работоспособного, неисправного, неработоспособного и предельного состояния. Изделие в исправном состоянии соответствует всем требованиям нормативно-технической документации (НТД) и, конечно, работоспособно. Работоспособное жесостояние не означает отсутствия в изделии отдельных повреждений; при этом значения всех параметров, характеризующих способность изделия выполнять заданные функции, соответствуют НТД.

Долговечность – свойство объекта (изделия) длительно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания. При этом предельное состояние определяется невозможностью дальнейшей эксплуатации объекта (изделия) из-за снижения эффективности, безопасности, неустранимого ухода значений заданных параметров за установленные границы и др. (признаки наступления предельного состояния прописываются в технической документацией на данный объект).

Безотказность– свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов.

Понятие отказа как события, заключающегося в нарушении работоспособного состояния, является в теории Н важным и фундаментальным. В зависимости от условий и причин возникновения отказы классифицируются на постепенные и внезапные, независимые и зависимые, самоустраняющиеся и устраняемые вмешательством извне.

Независимый отказ рассматриваемого объекта не обусловлен отказом другого объекта, а зависимый отказ – обусловлен. Простой пример: отказ стабилитрона в блоке питания может вызвать отказ бока обработки информации.

По связи причины возникновения с этапом жизненного цикла изделия различают отказы конструкционные, производственные и эксплуатационные.

Как оценивать надежность, сравнивать изделия по их надежности (Н)? Для этого введены критерии и показатели Н.

{Критерий – признак, мерило, на основании которого производится оценка, определение или сравнение}

Показатель Н – количественная характеристика одного или нескольких единичных свойств, определяющих Н объекта. Соответственно различают единичные и комплексные показатели. Для оценки Н среди показателей выбирают тот, который для конкретного объекта и конкретных условий его применения наилучшим образом выражает комплексное свойство Н. Такому показателю придают функцию критерия Н и именно его нормируют, как правило, в ТЗ и разрабтываемой на данный объект технической документации. Случаи, когда нормируется один показатель Н, а при сравнении вариантов используется другой, составляют исключения.

Необходимо отличать критерий Н от критерия отказа и критерия предельного состояния. Критерий отказа – признак или совокупность признаков неработоспособного состояния объекта; эти признаки д. б. прописаны в НТД и (или) КД. Аналогично трактуется критерий предельгого состояния.

Различным составляющим Н соответствуют группы показателей Н:

показатели безотказности, долговечности, сохраняемости, достоверности…

Выбор и обоснование номенклатуры показателей Н должен производиться с учетом специфики объекта, его назначения и условий эксплуатации.

Существенным фактором является восстанавливаемость или невосстанавливаемость объекта. Объект относят к группе восстанавливаемых (ВО), если его восстановление предусмотрено документацией и технически возможно на месте эксплуатации. Восстанавливаемые объекты кроме оценки Н по единичным показателям характеризуются еще и комплексными показателями. Это, прежде всего, -вероятность того, что восстанавливаемый объект окажется работоспособным в произвольный момент времени. Такой показатель учитывает свойства безотказности и восстанавливаемости.

Показатели Н относятся к категории показателей, используемых для характеристики случайных величин и случайных событий. Уже из самого определения Н следует, что количественно выразить свойство сохранения во времени некоторой совокупности параметров в каких-либо единицах (по примеру выражения физических свойств объекта) невозможно.

Далее будем рассматривать математические и статистические определения показателей Н.

2. Показатели безотказности

1. Вероятность безотказной работы (ВБР) P(t) = P(T ≥ t), (1)

где Т – время непрерывной работы объекта до первого отказа (фактически Т - время события отказа).

Соответственно вероятность отказа – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ не возникнет - определяется как

Q(t) = 1 – P(t). (2)

Функция Q(t) – это функция распределения случайной величины Т.

Приведенные математические выражения P(t) и Q(t) отражают составленную математическую модель. Однако в реальности показатели Н чаще всего определяются из опытных данных. В таких случаях речь идет о статистическом определении показателей Н. Выражениям (1), (2) соответствуют статистическая вероятности (частости):

, (3)

где N(0) – число изделий, поставленных на испытания; n(t) – число изделий, отказавших за время t испытаний;

.(4)

2. Плотность вероятности отказа в момент времени t

. (5)

Соответствующая статистическая оценка получается по результатам наблюлений за работой N(0) изделий как отношение числа отказавших в единицу времени изделий к общему числу изделий при условии, что отказавшие изделия не воотанавливаются:

. (6)

3) Интенсивность отказов λ(t). Это условная плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник. То есть λ(t) есть плотность распределения, отнесенная к вероятности безотказной работы:

. (7)

В статистической трактовке интенсивность отказов есть отношение числа отказов в единицу времени на интервале Δt, примыкающему к моменту времени t. Можно также сказать, что статистическая интенсивность отказов подсчитывается как отношение числа отказавших в единицу времени изделий к среднему числу N_pработоспособных на рассматриваемом отрезке времени изделий:

. (8)

Получается, что при постоянстве функции плотности вероятности интенсивность отказов растет (ведь N_p убывает).

Давайте представим ситуацию с какими-то заболеваниями в большом городском районе и в 40-квартирном ломе; предположим, что в том и другом образовании каждый день заболевает по 5 чел.; подумаем, где интенсивность заболеваний выше?

Свяжем интенсивность отказов с вероятностью безотказной работы.

. (9)