Влияние скорости процессов на надежность технических систем

Факторы и процессы, влияющие на надежность технических систем

Факторы и процессы влияния

 

На надежность технических систем оказывают влияние три группы факторов: конструктивные, технологические и эксплуатационные.

К конструктивным факторам относятся: принципиальная схема машины, качество материалов, форма и размеры деталей, запас прочности, применяемые методы расчета на прочность, конструктивные концентраторы напряжений в деталях (зазоры, натяги, галтели, пазы, канавки и др.), характер и скорость приложения нагрузок и др.

Технологические факторы – факторы, связанные с процессом получения стабильных свойств материалов, обеспечивающих стабильность структуры, физико-механических свойств, прочности; факторы, связанные с формообразованием заготовки, методами обработки и сборки; методы и режимы механической, термической, химико-термической обработки; геометрия режущего инструмента; организация технического контроля по этапам технологического процесса.

Эксплуатационные факторы – давления, характер нагружения, скорости, температура среды, влажность среды, виды и способы смазки, соблюдение правил технической эксплуатации, техническое обслуживание, качество ремонта, квалификация ремонтно-эксплуатационного персонала, техническая оснащенность ремонтных служб и др.

На надежность технических систем существенное влияние оказывают обратимые и необратимые процессы, происходящие в системах.

К обратимым процессам относятся температурные и упругие деформации в деталях и узлах машин.

Необратимые процессы – это изнашивание, усталостное разрушение, коррозия, старение, ползучесть, кавитационно-эррозионное разрушение и др.

Влияние температурных деформаций проявляется в увеличении зазоров в сопряжениях, появлении вибрации, стука, заклинивании подвижных соединений, поломках, интенсивных износах. Очевидно, следует учитывать возможность изменения линейных и объемных размеров деталей, приводящих к изменению зазоров в сопряжениях, возможность их коробления под действием температур среды или температур, возникающих в парах трения. Например, в паре вал-втулка диаметром 100 мм при возрастании температуры до 100º С величина зазора уменьшится при втулке из бронзы на 0,18 мм, из пресспорошков на 0,37 мм, из капрона на 1 мм.

Упругие деформации в технической системе не оказывают такого влияния как температурные деформации на работоспособность подвижных соединений. Однако они имеют основное влияние на технологическую надежность процесса механической обработки резанием, на точность механической обработки. Известны зависимости величины погрешности механической обработки, обусловленные упругими отжимами элементов технологической системы станок-приспособление-инструмент-деталь. Величина упругих отжимов, а, следовательно, погрешностей зависит от погрешности заготовки (неравномерности припуска на обработку) и неоднородности свойств материала обрабатываемой детали (неоднородность твердости). Именно эти две составляющие упругой деформации в технологической системе вызывают рассеяние (разброс) размеров при обработке на настроенном на заданный размер станке.

Наибольшее влияние на надежность технических систем оказывают необратимые процессы – изнашивание и поломки. 80-90% всех поломок деталей связаны с усталостным разрушением. Наибольшее количество отказов в машинах обусловлено изнашиванием.

 

Изнашивание

 

Изнашивание – процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) в его остаточной деформации. Соответственно, износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях эксплуатации. При контакте двух сопряженных поверхностей и их относительном перемещении в поверхностных слоях возникают механические и молекулярные взаимодействия, которые приводят к разрушению микрообъемов поверхностей, т.е. к износу. При этом исходный (технологический) микрорельеф превращается в эксплуатационный.

Процессы, сопровождающие изнашивание, крайне разнообразны и по разному протекают в различных условиях. Наиболее характерные из них:

- возникновение высоких локальных температур, которые при больших местных давлениях могут достигать значений, соответствующих фазовым превращениям или приводящих к расплавлению металла (образование мостиков сварки);

- протекание процессов переноса материала с одной поверхности на другую;

- возникновение высоких механических и термических напряжений, приводящих к образованию микротрещин;

- протекание химико-термических процессов, образование окисных пленок или других химических соединений, в связи с чем свойства поверхностного слоя резко отличаются от свойств основного материала;

- влияние на трение и износ смазки, которая играет роль эластичной прокладки, ведет к образованию масляного клина, а попадая в микротрещины оказывает расклинивающее действие.

Эти процессы характерны для всех трех родов трения: скольжения, качения, верчения (точечный контакт или контакт конических поверхностей). В зависимости от условий смазки, ее характера, режимов работы различают сухое, граничное и жидкостное трение.

При сухом трении происходит наибольший износ. При жидкостном трении трущиеся поверхности разделены слоем смазки. Наиболее характерным является граничное трение, когда слой смазки не превышает 0,1-0,2 мкм, а износ происходит при локальных разрывах масляной пленки.

Различают три вида изнашивания:

- механическое, которое имеет место только при механическом взаимодействии тел;

- молекулярно-механическое, сопровождающееся воздействием молекулярных или атомарных сил;

- коррозионно-механическое, происходящее при трении материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой.

В группе механических видов изнашивания выделяются: абразивное, усталостное, пластическим деформированием.

Абразивный износ происходит вследствие режущего или царапающего действия с отделением микростружки твердыми частицами из окружающей среды или продуктами износа. Усталостный износ происходит вследствие циклического воздействия на микровыступы трущихся поверхностей. Износ пластическим деформированием происходит только вследствие пластического оттеснения материала без его удаления с поверхности трения.

Среди молекулярно-механических видов изнашивания выделяются два: адгезионный износ и избирательный (атомарный) перенос.

Адгезионное изнашивание связано с возникновением в локальных зонах контакта поверхностей интенсивного молекулярного взаимодействия, приводящего к образованию мостиков сварки, глубинному вырыванию и переносу частиц материала с одной поверхности на другую. При определенных условиях и в определенной среде можно управлять этим процессом, обеспечивая переход материала с одной поверхности на другую и обратно. Такое явление, обнаруженное Крагельским и Гаркуновым при трении в вакууме в среде глицерина, зарегистрированное как открытие, названо избирательным переносом.

В группе коррозионно-механических выделяются окислительный, коррозионный износы и фреттинг-коррозия.

Окислительный износ происходит при наличии на поверхности трения защитных пленок, образовавшихся при взаимодействии основного материала с кислородом воздуха. При взаимном перемещении тел защитные пленки разрушаются, обнажая основной материал, который вновь окисляется и пленка разрушается при трении. Аналогичный механизм и коррозионного изнашивания, только разрушаются при трении не окислительные пленки, а продукты коррозии на поверхностях трения. Фреттинг-коррозия имеет место в неподвижных соединениях, в микрозазорах которых образуются продукты коррозии в виде бурого налета. Даже в неподвижных соединениях двух тел имеют место микроколебания, микроперемещения тел относительно друг друга, что ведет к разрушению продуктов коррозии и цикл повторяется. Явление фреттинг-коррозии было обнаружено Одингом на деталях гидротурбин.

Показателями износа являются:

 - линейный износ U_МКМ,

 - скорость износа  (мкм/ч),

 - интенсивность износа  (мкм/км).

Классическая зависимость величины линейного износа во времени графически носит S-образный характер, как это показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Изменение линейного износа во времени

 

Как видно из рисунка кривая износа имеет три стадии: I стадия – приработка; II – нормального износа и III – катастрофического износа.

 

Влияние скорости процессов на надежность технических систем

 

По скорости процессы, протекающие при эксплуатации технических ситем (ТС), делятся на быстропротекающие, процессы средней скорости и медленно протекающие. Они в разной мере оказывают влияние на надежность технических систем.

Быстропротекающие процессы проявляются сразу же после включения ТС в форме вибраций, изменения сил трения в сопряжениях, колебаний рабочих нагрузок, неуравновешенности движущихся деталей и др. Длительность и периодичность их возникновения измеряется секундами. Действие процессов приводит к изменению и рассеянию выходных параметров машин, например, при механической обработке неточность размеров, формы деталей.

Процессы средней скорости происходят при непрерывной работе машин. Длительность их измеряется минутами, часами. Под их действием происходит монотонное изменение начальных параметров на величину , как это показано на рисунке 4. Это могут быть как обратимые, так и необратимые процессы, например, износ металлорежущего инструмента, его стойкость измеряется в минутах.

Медленно протекающие процессы происходят за время между ремонтами машин. Это только необратимые процессы: износ, перераспределение напряжений, ползучесть, загрязнение, коррозия, сезонные изменения температур и др. Эти процессы влияют на производительность, точность, коэффициент полезного действия и др. Они ведут к монотонному изменению выходного параметра, достигающему величины . Методы борьбы с ними это техническое обслуживание и ремонты.

Рисунок 4. Изменение выходных параметров машин под действием процессов разной скорости

 

Все рассмотренные процессы носят случайный характер, что приводит к разбросу выходных параметров машин, законы рассеяния которых отражаются функциями  и  на рисунке 4. Суммарное изменение выходного параметра под действием процессов разных скоростей или суммарная погрешность .