Долговечность

Долговечность машины, подобно полезной отдаче, очень зависит от условий и технического уровня эксплуатации. Бережное отношение к машине, квалифицированный уход, своевременная профилактика, пре­дупреждение перегрузок — все это может значительно повысить долговеч­ность машины. Низкий уровень обслуживания сокращает срок службы машины. Однако решающее значение для долговечности имеет правиль­ная конструкция машины.

Критерии долговечности.

Долговечность есть общее время, которое машина может отработать на номинальном режиме в условиях нормальной эксплуатации без су­щественного снижения основных расчетных парамет­ров, при экономически приемлемой суммарной стои­мости ремонтов. Иногда применяют понятие ресурс машины (время работы машины в часах до первого капитального ремонта).

Во многих случаях, особенно для агрегатов непериодического действия, долговечность измеряют показателями суммарной выработки за все время функционирования агрегата. Определенная таким образом долговечность представляет собой общее число операций или единиц ра­боты, которые может произвести машина или агрегат до предельного износа.

Так, долговечность автотранспорта и под­вижного железнодорожного состава определяют по предельному суммар­ному пробегу в километрах; приборов и испытательных машин — по общему числу включений; плавильных агрегатов — по суммарному числу плавок; почвообрабатывающих машин — по количеству обрабатываемых гектаров почвы.

Фактическая долговечность может значительно отличаться от номинальной в зависимости от условий работы. Она уменьшается при систе­матической перегрузке машины, работе на повышенных скоростях, режи­мах, увеличении рабочих усилий, в неблагоприятных климатических усло­виях. При облегченных условиях работы долговечность машин возрастает.

Влияние условий работы на долговечность можно учесть введением коэффициента режима _реж.

Фактическая долговечность:

D = (2.18)

где D_ном — номинальная (расчетная) долговечность.

Величину коэффициента режима можно достоверно определить путем дифференцированного изучения условий и режимов эксплуатации и их влияния на долговечность, что составляет задачу статистической теории долговечности. При отсутствии уточненных данных можно в качестве первого приближения принимать: для средних условий эксплуатации _реж = 1; тяжелых 1,2-1,5; легких — 0,7-0,8.

Срок службы машины — это общая продолжительность пребывания ее в эксплуатации (в годах) до исчерпания ресурса долговечности. Для машин непериодического действия срок службы определяется как частное от деления долговечности, выраженной числом операций (единиц работы), на их среднее число в году.

Например, срок службы автомобиля рассчитанного на суммарный пробег L км, ,

где реж — коэффициент режима; l — средний километраж, проходимый автомобилем в год.

Для машин, долговечность которых исчисляют в единицах времени, срок службы (в годах) равен частному от деления долговечности D на коэффициент использования _исп, характеризующий среднюю за период работы машины степень фактического ее использования за вычетом всего холостого времени. С учетом коэффициента режима . (2.19)

Коэффициент использования в общем случае

_исп = _{сез вых рем см маш заг пр.} (2.20)

Коэффициент сезонности _сез — отношение продолжительно­сти h_ceз сезона работы машины к общему числу дней в году: _сез= .

К числу машин, продолжительность действия которых ограничена климатическими и сезонными условиями, принадлежит большинство сельскохозяйственных машин, дорожные, снегоуборочные машины, судовой транспорт с ограниченным периодом навигации. Для машин, используемых круглый год, _сез = 1.

Коэффициент выходных дней _вых — отношение числа рабо­чих дней в году к общему числу дней в году.

Коэффициент сменности _см — отношение продолжительности h_см смен в часах, в течение которых работает машина, к числу часов в сутках. При

8^ми часовом рабочем дне и одно-, двух- и трехсменной работе соответственно

_см = 0,33; 0,66 и 1.

Коэффициент ремонтных простоев _рем — среднее отноше­ние продолжительно­сти h_ф фактической работы машины к сумме продол­жительно­сти фактической работы и продолжительности h _рем простоев машин в ре­монте: Этот коэффициент зависит в первую очередь от надежности машины, определяющей длительность межремонтных сроков и объем ремонтных работ, а также от уровня организации ремонта.

Величина _рем определяется также длительностью пребывания машины в эксплуатации. Будучи не­значительными, на первых этапах эксплуатации, ремонтные простои прогрессивно возрастают по мере износа машины и к концу срока службы могут достигать большой величины.

Для технологических машин, работающих по календарному режиму, в среднем _рем = 0,85 -~ 0,95. Для других категорий машин цифры варьи­руют в широких пределах.

Для машин сезонного и резко непериодического действия _рем = 1, так как эти машины ремонтируются почти всегда в периоды их бездействия.

Коэффициент машинного времени _маш — отношение ма­шинного времени h_маш (времени фактической работы) к сумме машинного и вспомогательного времени h_всп (времени, затрачиваемого на установку и снятие изделий, настройку и регулировку машины, обслуживание и уход): _маш = h_маш : (h_маш + h_всп).

Этот коэффициент действителен для машин-орудий с ручным управле­нием, обслуживаемых операторами (например, металлообрабатывающие станки, кузнечно-прессовое оборудование). Величина _маш зависит от типа оборудования, совершенства организации рабочего процесса, размеров партий обрабатываемых изделий. Для металлорежущих станков в среднем _маш = 0,8 - 0,9.

Коэффициент загрузки _заг — отношение h_ф продолжительно­сти фактической работы машины к сумме фактической работы машины и холостого времени h_хол — простоев за тот же период, вызванных производственной невозможностью обеспечить полную загрузку машины: _заг = h_ф: (h_ф + h_хол ).

Низкий коэффициент _заг имеют машины, работающие вне часового графика, и машины непериодического действия с нерегламентированной загрузкой (вспомогательные, аварийные, ремонтные).

В условиях непрерывного производства недогруженными бывают спе­циализированные машины, выполняющие узкий круг операций при изготовлении деталей ограниченной номенклатуры, и машины, производительность которых превышает среднюю производительность смежного машинного оборудования.

Как правило, низкое значение коэффициента _заг у технологических машин является следствием дефектов производственного планирования, неправильного подбора оборудования по численности, типажу и произ­водительности, а также нестабильности профиля продукции.

В производствах со сменяющимися объектами величина _заг зависит от типа объекта, находящегося в данный момент в производстве, харак­тера обработки его деталей и, следовательно, может изменяться во времени. Например, при обработке деталей с преобладанием токарных операций будут загружены станки токарной группы; другие станки (фрезерные, расточные) будут недогружены или простаивать.

В мелкосерийном производстве _заг = 0,7-0,75, в серийном 0,8-0,85; в крупносерийном 0,9-0,95. При непрерывно-поточном массовом, стабиль­ном во времени производстве, _заг = 1.

Коэффициент вынужденных простоев _пр — среднее отно­шение продолжительности фактической работы машины h_ф к сумме h_ф и времени h_np простоев, вызванных неполадками и неисправностями, устраняемыми на месте:

_пр = h_ф /(h_ф + h_np). Величина этого коэффициента для надежно выполненных и правильно эксплуатируемых машин близка к единице. У машин с дефектами конструк­ции или работающих при неквалифицированном обслуживании г|_пр может быть значительно меньше единицы.

Расчетная долговечность. Для машин, работающих по календарному режиму, степень использования, а следовательно, и соотношение между периодом службы H и долговечностью D зависит преимущественно _см.

Примем в формуле (2.20) _заг * _пр * _рем = 0,8; _вых = 0,7 (за исключением случая круглогодовой непрерывной работы, когда _вых = 1).

Тогда _исп = 0,8 * 0,7 _см = 0,56 _см и долговечность согласно формуле (2.19)

D = 0,56 _см Н. (2.21)

С учетом формулы (2.21) составлен график (рис. 2.2) см. зависимости (в тыс. ч.) от Н (в годах). Для работы в одну, две и три смены принято соответственно

_см = 0,33; 0,666 и 1. Для круглогодовой работы принято с учетом вынужденных простоев D = 0,95 Н.

Ресурс долговечности, закладываемый в машину, должен быть согласован со степень ее использования. Повышение долговечности машин, мало загруженных в эксплуатации, сопровождается увеличением периода службы, которое практически нельзя использовать из-за наступления технического устаревания. Например, при D = 10 лет период службы согласно формуле (2.20) равен для двухсменной работы 27 лет, а для односменной 54 года, что пре восходит все мыслимые пределы технико-экономической долговечности.

Высокую долговечность целесообразно придавать машинам интенсивного использования. Так, при трехсменной работе период службы машины с расчетной долговечностью 10 лет сокращается до 18 лет, а при круглогодовой непрерывной работе до 10,5 лет, что укладываете (во всяком случае, для многих категорий машин) в лимиты технической долговечности.

Графиком (рис.2.2) можно пользоваться для ориентировочного определения долговечности машин, работающих по календарному режиму.

Для наиболее распространенного случая работы в две смены пpи периоде службы 10-15 лет (заштрихованная область) расчетная долго вечность составляет 30-50 тыс. ч. Эти цифры можно полагать в основу расчета большинства технологических машин. Для машин, работающие в три смены, при том же периоде службы, D = 50 - 70 тыс. ч., а для машин, работающих круглый год, D = 80 - 130 тыс. ч.График позволяет решить и обратную задачу — по заданной долговеч­ности определить период службы. Например, при D = 30 тыс. ч. (штри­ховая линия) периоды службы при круглогодовой работе в одну, две и три смены равны соответственно 3,6; 6,2; 9,2 и 18,5 лет.

Рис. 2.2. Расчетная долговечность D в зависимости от периода службы Н приодносменной (1), двухсменной (2), трехсменной (3) и круглогодовой (4) работе

Средства повышения долговечности.

Основные факторы, лимитирующие долговечность и надежность машин, следующие:

- поломки деталей;

- износ трущихся поверхностей;

- повреждения поверхностей в результате действия контактных напряжений, наклепа и коррозии;

- пластические деформации деталей, вызываемые местным или общим переходом напряжений за предел текучести или (при повышенных температурах) ползучестью.

Прочность в большинстве случаев не является непреодолимым лимитом. В машинах общего назначения возможно полное устранение поломок. При располагаемом в настоящее время ассортименте машино­строительных материалов, при существующих методах изготовления, при современном состоянии науки о прочности, в этом классе машин нет деталей, которым нельзя было бы придать практически неограниченную долговечность.

В случае машин напряженного класса, вроде транспортных, задача сложнее. Требования габаритных размеров и массы заставляют повышать расчетные напряжения, вследствие чего вероятность поломок увеличивается. Однако непрерывное совершенствование упрочняющей технологии и уточ­нение методов расчета позволяют и в данном случае устранить или значительно отодвинуть прочностные лимиты долговечности.

В наихудшем положении находятся тепловые машины, долговечность которых зависит в первую очередь от стойкости деталей, работающих при высоких температурах.

Прочность материалов резко снижается с увеличением температуры. Кроме того, при повышенных температурах возникает явление ползуче­сти (пластическое течение материала под действием сравнительно неболь­ших напряжений), приводящее к изменению первоначальных размеров детали и, как следствие, к утрате ее работоспособности.

Детали, работающие при высоких температурах, рассчитывают на ограниченную долговечность. Срок их службы можно повысить только конструктивными приемами (снижением уровня напряжений, рациональным охлаждением) и главным образом примене­нием жаропрочных материалов. В последнее время для изготовления термически напряжен­ных деталей применяют металлокерамические спеченные материалы (керметы) на основе оксидов, нитридов, иборидов Ti, Cr A1, карбидов и нитридов Ви Si, со связкой из металлов Ni, Со, Мо.

Практически долговечность в наибольшей степени определяется изнашиваемостью деталей. Постепенно развивающийся износ ведет к общему ухудшению показателей машины, снижению точности выпол­няемых ею операций, падению КПД, увеличению энергопотребления и снижению полезной отдачи. С течением времени износ может вступить в катастрофическую стадию. Прогрессирующее повреждение вызывает поломки и аварии (разрушение подшипников качения, выкрашивание зубьев зубчатых колес и т. п.).

Основной вид износа в машинах - механический, который под­разделяется на износ абразивный, износ при трении скольжения, износ при трении качения и контактный. Некоторые детали подвержены износу химическому (коррозионному), тепловому кавитационно-эрозионному. Разнообразие видов износа и различие их физико-механической природы требует дифференцированного изучения и специ­альных методов предотвращения изнашиваемости.

Главными способами повышения износостойкости при механическом износе являются увеличение твердости трущихся поверхностей, подбор материалов трущихся пар уменьшение давления на поверхностях трения, повы­шение качества поверхностей и правиль­ная смазка.

Современная технология располагает эффективными средствами повы­шения поверхностной твердости; цементация и обработка ТВЧ. (HV500-600), азотирование (HV 800-1200), бериллизация (HV 1000-1200), диффузионное хромирование (HV 1200-1400), плазменное наплавление твердыми сплавами (HV 1400-1600), борирование (HV 1500-1800), боро-цианирование (HV 1800-2000) и др.

Другое направление заключается в улучшении антифрикционных свойств поверхностей осаждением фосфатных пленок (фосфатирование), насыщением поверхностного слоя серой (сульфидирование), графитом - (графитирование), дисульфидом молибдена и др. При умеренной твердости такие поверхности обладают повышенной скользкостью, малым коэффи­циентом трения, высокой устойчивостью против задиров, заедания и схватывания. Эти способы (особенно сульфидирование и обработка ди­сульфидом молибдена) увеличивают износостойкость стальных деталей в 10-20 раз. Применяют и сочетание обоих методов (например, сульфо-цианирование, повышающее одновременно твердость и скользкость поверх­ностей).

Важное значение имеет правильное сочетание твердости парных поверх­ностей трения. При движении с малыми скоростями под высокими нагрузками целесообразно максимальное повышение твердости обеих поверхностей, а при движении с большими скоростями в присутствии смазки — сочетание твердой поверхности с мягкой, обладающей повышен­ными антифрикционными свойствами.

Эффективным способом увеличения износостойкости является умень­шение величины давления в трущихся соединениях. Иногда этого можно достичь уменьшением нагрузок (рациональная раздача сил) или снижением степени цикличности и ударности нагрузок. Наиболее простой способ заключается в увеличении площади поверхности трения, нередко достигаемом без существенного увеличения габаритных размеров.

В качестве примера приведем направляющую металлорежущего станка, испытывающую нагрузку одностороннего действия (рис,2.3, а). Изменение профиля направляющей (рис. 2.3, 6) позволяет примерно в тех же габаритах увеличить опорную поверхность и снизить давление вдвое с соответствующим повышением долговечности. Еще большей долговечностью обладают гребенчатые направляющие (рис. 2.3, в). В этом случае давление уменьшается в 4 раза при увеличении габаритов примерно только в 2 раза по сравнению с исходной конструкцией.

Рис. 2.3. Уменьшение дав­ления в направляющих

Во всех случаях, когда допускает конструкция, точечный контакт следует заменять линейным, линейный — поверхностным, трение скольже­ния — трением качения.

Особое направление заключается в ком­пенсации износа, осуществляемой пе­риодически или автоматически. К числу узлов с периодической компенсацией принадлежат подшипники скольжения с осевым или ра­диальным регулированием зазора (с кониче­скими несущими или посадочными поверхно­стями, с периодически подтягиваемыми вкла­дышами). Другие примеры — осевая подтяжка подшипников качения (радиально-упорных) и регулирование зазора в прямолинейных напра­вляющих с помощью переставных клиньев и планок.

Более совершенны системы с автомати­ческой компенсацией износа (самопритирающиеся конические пробковые краны, торцовые и манжетные уплотнения, узлы под­шипников качения с пружинным натягом, си­стемы гидравлической компенсации зазоров в рычажных механизмах и т. д.).

Решающее значение имеет правильная смаз­ка узлов трения. Везде, где это возможно, следует обеспечивать жидкостную смазку и устранять полужидкостную и граничную. Следует избегать открытых механизмов, сма­зываемых периодически набивкой. Нецелесо­образно применение открытых зубчатых и цепных передач. Все трущиеся части должны быть заключены в закрытые корпуса и надеж­но защищены от пыли, грязи и атмосферной влаги.

Наилучшим решением являются полностью герметизированные системы с непрерыв­ной подачей масла под давле­нием ко всем подвижным соеди­нениям.

Эффективность смазки повышают введе­нием присадок, улучшающих ее смазочные качества (коллоидальный графит, сера, ди­сульфид молибдена), увеличивающих масля­нистость (олеиновая, пальмитиновая и другие органические кислоты), предупреждающих окисление (органические и металлооргани-ческие соединения S, Р и N₂), предотвращаю­щих задиры (кремнийорганические соедине­ния).

В условиях, когда применение жидких масел не­возможно (работа при высоких или низких темпера­турах, при радиации, в химически агрессивных сре­дах, глубоком вакууме) или неэффективно (при колебательных движениях малой амплитуды, при ударных и высокочастотных нагрузках), применяют сухопленочные смазки на основе сульфи­дов, селенидов и теллуридов Mo, W, V и др. со связ­ками металлов Fe, Ni, Ag. Коэффициент трения соединений с сухопленочными смазками f = 0,1 - 0,25.

Другой способ — смазка сухими порошками, со­стоящими из микросфер (d = 1 + 3 мкм), изготов­ленных из твердых (HV 800-900) материалов (воль­фрамовые сплавы, науглероженное карбонильное железо). В таких подшипниках происходит отчасти перекат одной несущей поверхности относительно другой по микросферам, главным же образом — скольжение по очень подвижному и текучему слою порошка (псевдожидкостное трение).Несущие поверхности изготовляют из материалов такой же твердости, что и микросферы (азотированные стали, металло- и минералокерамика, ситаллы).

Идеальным с точки зрения износостойкости является полное устранение металли­ческого контакта между рабочими по­верхностями. Примерами безызносных узлов являются электромагнитные опоры с «ви­тающими» валами, электромагнитные муфты и насосы (передача крутящего момента и осе­вого движения электромагнитными силами), муфты жидкостного трения (передача крутя­щего момента силами вязкого сдвига силико­новой жидкости), гидравлические трансформа­торы (передача крутящего момента гидроди­намическими силами потока жидкости).

Известное приближение к принципу безызносной работы представляют подшипники скольжения с гидродинамической смазкой. При непрерывной подаче масла и наличии клиновидности масляного зазора, обусловливающей нагнетание масла в нагру­женную область, в таких подшипниках на устойчивых режимах работы металлические поверхности полностью разделяются мас­ляным слоем, что обеспечивает теоретически безызносную работу узла.

Их долговечность не зависит (как у подшипников качения) ни от нагрузки, ни от скорости вращения (числа циклов нагружения). Уязвимым местом под­шипников скольжения является нарушение жидкостной смазки на нестационарных режи­мах, особенно в периоды пуска и остановки, когда из-за снижения частоты вращения нагне­тание масла прекращается и между цапфой и подшипником возникает металлический кон­такт.

В последнее время получили применение гидростатические подшипники с подачей в зазор масла под давлением от авто­номного насоса. В таких подшипниках тру­щиеся поверхности разделяются масляным слоем еще до пуска машины; изменение ча­стоты вращения не влияет на работоспособ­ность подшипника. гидростатических подшипниках возможно увеличение толщины масляного слоя до 100-120 мкм вместо обычных в гидродинамиче­ских подшипниках значений 10-20 мкм, что снижает (примерно на один порядок) коэффи­циент трения подшипника и общие затраты мощности на трение (с учетом мощности при­вода насоса).

Схема гидростатической опоры (подпятник) приве­дена на рис.2.4, а. Масло из насоса через дроссель 1 по­ступает в карман 2 с запорной кольцевой кромкой 3. Давление в кармане зависит от соотношения между сечением дросселя и переменным сечением между за­порной кромкой и пятой. С увеличением нагрузки это сечение уменьшается, и давление в кармане воз­растает, становясь в пределе равным давлению, соз­даваемому насосом. При ударных нагрузках давле­ние в кармане, благодаря «закупорке» дросселя в результате повышения его гидравлического сопро­тивления, может значительно превзойти давление, создаваемое насосом.

Рис. 2.4

В цилиндрических опорах, нагруженных силами переменного направления, применяют систему не­скольких радиально расположенных карманов (рис. 2.4,6). При указанном направлении нагрузки не­сущим является нижний карман. Давление в верхнем кармане отсутствует вследствие истечения мас­ла через увеличенный зазор на верхней дуге подшип­ника. Боковые карманы, давление в которых взаим­но уравновешено, нагрузку не воспринимают Мас­ло, вытекающее через верхний и боковые карманы, выполняет обычную функцию охлаждения подшип­ника.

При перемене направления нагрузки на 180° верх­ний карман становится несущим, нижний — питаю­щим. Аналогичное явление происходит при перемене направления нагрузки на 90°. Таким образом, под­шипник, реагируя на перемещения вала, автоматиче­ски настраивается на восприятие нагрузки каждый раз в направлении вектора силы.

В связи с появлением гидростатических под­шипников происходит переоценка сравни­тельных достоинств опор скольжения и опор качения, которым до сих пор отдавали опре­деленное предпочтение. Опоры скольжения с правильно организованной смазкой принци­пиально выгоднее, так как они позволяют полностью исключить металлический контакт и осуществить безызносную работу, тогда как в опорах качения металлический контакт и из­нос неизбежны.

Применение гидростатических подшипни­ков, однако, ограничивается усложнением си­стемы смазки, в частности, необходимостью привода масляных насосов (на периоды пуска и остановки) от постороннего источника энер­гии.

Аэростатические (газостатические) подшипники используют, когда жидкие смазочные материалы неприменимы: при высоких частотах вра­щения (>50 тыс об/мин), высоких (>250°С) и низких (< — 50 °С) температурах, при работе в сре­дах, вызывающих разложение масел, в установках, подвергающихся радиации. Применение воздушной смазки также целесообразно, когда трущиеся поверх­ности подвергаются загрязнению (открытые цилин­дрические опоры и направляющие прямоугольного движения)

Несущая способность аэростатических опор, в частности сопротивляемость ударным нагрузкам, значительно ниже, чем гидростатических. Однако они обладают гораздо меньшим коэффициентом трения и вследствие малых зазоров (2-10 мкм) обеспечивают высокую точность центрирования. Не­сущая способность аэростатических опор (в противо­положность гидростатическим) возрастает с повыше­нием температуры вследствие увеличения вязкости воздуха с ростом температуры.

Воздушную и газовую смазку применяют в ра­диальных и упорных подшипниках быстроходных шлифовальных шпинделей, быстроходного сверлиль­ного оборудования, роторов гироскопов, центрифуг, турбомашин, турбодетандеров, криогенных агрега­тов, в опорах прецизионных поворотных столов, в направляющих металлообрабатывающих станков.

Одной из наиболее частых причин прежде­временного выхода машины из строя является коррозия. В конструкции машин, особенно работающих на открытом воздухе, в условиях повышенной влажности или в химически ак­тивных средах, следует предусматривать эф­фективные средства защиты, применяя гальва­нические покрытия (хромирование, никелиро­вание, омеднение), осаждение химических пле­нок (фосфатирование, оксидирование), нанесе­ние полимерных пленок (капронизация, полителинизация).

Наилучшим решением является применение коррозионно-стойких материалов (коррозион­но-стойких сталей, титановых сплавов). Малонагруженные детали, соприкасающиеся с хи­мически активными агентами, целесооб­разно изготовлять из химически стойких пла­стиков (полиолефины, фторопласты).

Применяя все описанные выше технологиче­ские и конструктивные мероприятия, можно у машин общего назначения повысить срок службы большинства деталей практически до значений, требуемых долговечностью машины в целом.

Проектируя машину, конструкторы часто не за­думываются о долговечности деталей, выбирая их форму, размеры и методы обработки по сложив­шимся в данной отрасли машиностроения тради­циям и нормативам, которые в новых условиях, при непрерывном повышении напряженности режимов и в свете новых представлений о значении долговеч­ности, нуждаются в пересмотре. В большинстве слу­чаев достаточно поставить себе четко задачу и при­менить общие приемы рационального конструирова­ния для того, чтобы еще на стадии проектирования решить многие проблемы долговечности, которые затем в уже готовой конструкции пришлось бы устранять в порядке доводки, с большими затратами и с использованием преимущественно технологиче­ских приемов.

Подобно тому, как в авиации все детали во время проектирования тщательно проверяют на массу, так в общем машиностроении следовало бы осущест­влять систематический контроль и эксперименталь­ную проверку проектируемых узлов и деталей на долговечность.

Есть, однако, исключения. Очень трудно обеспечить долговечность деталей, работаю­щих в непосредственном соприкосновении с абразивной средой (крыльчатки насосов, перекачивающих загрязненные жидкости, ра­бочие органы почвообрабатывающих машин, резцы врубовых машин, зубья ковшей экскава­торов, траки гусеничных машин, щеки камне­дробилок, цепи и приводы непрерывного транспорта для цемента, угля и др.).

Срок службы таких деталей составляет в не­которых случаях (буровые коронки) десятки часов; его можно только удлинить путем подбора наиболее износостойких материалов и применением рациональной упрочняющей обработки.

Меры повышения долговечности удоро­жают конструкцию. Необходимо применение качественных материалов, введение новых тех­нологических процессов, иногда организация новых участков цехов, требующая дополни­тельных капиталовложений. Это удорожание нередко отпугивает руководителей предприя­тий, рассматривающих вопрос о стоимости машины с заводской точки зрения и не учиты­вающих народнохозяйственный эффект повы­шения ее надежности. Эти расходы вполне оправданы. Стоимость изготовления деталей, определяющих долговечность машины, незна­чительна по сравнению со стоимостью изго­товления машины, а последняя, как правило, невелика по сравнению с общей суммой экс­плуатационных расходов.

Ничтожные в общем балансе дополни­тельные расходы на повышение долговечности дают, в конечном счете, огромный выигрыш в результате увеличения суммарной полезной отдачи машины, уменьшения простоев и стои­мости ремонтов. Отсюда вытекает важный практический вы­вод: стремясь, как правило, к удешевлению машины, не надо жалеть затрат на изготовле­ние деталей, определяющих надежность ма­шин.

Во многих руководствах по машинострое­нию рекомендуют применять дешевые мате­риалы и простые способы изготовления, до­пускаемые по функциональному назначению детали. Эти рекомендации нельзя принять без оговорок. Вопрос о выборе материалов и методов из­готовления следует решать только на основа­нии сопоставления относительной роли допол­нительных производственных расходов в об­щей сумме расходов за период эксплуатации машины. Для изготовления деталей, определяющих долговечность и надежность машины, необхо­димо применять наиболее качественные мате­риалы и самые совершенные способы обра­ботки.

В качестве примера можно привести поршневые кольца. Их качество в значительной степени пред­определяет межремонтные сроки двигателя. Износ колец снижает отдачу двигателя, увеличивает расход топлива и масла. Сейчас срок службы колец нередко составляет только 1000-2000 ч. Используя новейшие достижения в области повышения износостойкости пары кольцо-цилиндр (пористое хромирование ко­лец, азотирование зеркала цилиндров, создание маслоудерживающего микрорельефа), можно повысить срок службы колец до 5-10 тыс. ч. Связанное с этим удорожание колец очень незначительно уве­личивает стоимость двигателя, а повышение их из­носостойкости ввиду большой распространенности поршневых двигателей дает огромный экономиче­ский эффект.

Другой пример — подшипники качения. Обычно рекомендуют применение наименее точных подшип­ников, ссылаясь на увеличение их стоимости с повы­шением степени точности. Если принять стоимость изготовления подшипников нормальной точности за единицу, то стоимость подшипников при повышен­ной точности — 1,3; высокой — 2; прецизионной — 4.

Цифры на первый взгляд довольно убедительно говорят в пользу применения подшипников малой точности, однако такой вывод нередко является близоруким. Если учесть, что износ и повреждения подшипников качения являются одной из наиболее частых причин выхода машины из строя, в значи­тельной мере предопределяющей межремонтные сроки, то следует признать более разумным и эконо­мически выгодным применение в ответственных уз­лах подшипников повышенной точности, несмотря на их высокую стоимость. Разумеется, это не значит, что во всех случаях следует применять преци­зионные подшипники, и не освобождает конструкто­ра от необходимости обеспечить долговечность под­шипников правильной их установкой и смазкой

Пределы повышения долговечности.

Техниче­ски достижимая долговечность в значительной мере зависит от степени напряженности ма­шины.

У транспортных машин долговечность со­ставляет 10-20 тыс. ч и срок службы 5-8 лет, у стационарных, например машин-орудий, 50-100 тыс. ч, что при двухсменной работе соответствует сроку службы 15-25 лет, при трехсменной работе — 10-20 лет. При таких сроках службы становится актуаль­ной проблема технического устаревания.

Долговечность машины можно искусствен­но продлить восстановительными ремонтами. Однако этот путь экономически нецелесообра­зен, так как иногда расходы на восстанови­тельные ремонты во много раз превышают первоначальную стоимость машины.

В начальный период эксплуатации ремонт­ные расходы невелики. Затем они скачкооб­разно возрастают по мере текущих и средних ремонтов и, наконец, достигают значительной величины, соизмеримой со стоимостью ма­шины, когда машина подвергается капиталь­ному ремонту. Перед сдачей в капитальный ремонт должен быть решен вопрос о целесо­образности дальнейшей эксплуатации ма­шины.

Если оставить пока в стороне вопросы технического устаревания, то экономически це­лесообразным пределом эксплуатации следует считать момент, когда предстоящие расходы на капитальный ремонт приближаются к стои­мости новой машины. Выгоднее приобрести новую машину, чем реставрировать старую, тем более, что новые машины всегда превос­ходят по качеству восстановленные, и тем бо­лее, что показатели новых машин в результате непрерывного технического прогресса всегда выше показателей старых машин. Вместе с тем с течением времени увеличивается стоимость новых машин в связи с не­уклонной инфляцией.

При решении вопроса о прекращении экс­плуатации, кроме того, должна быть учтена суммарная стоимость всех произведенных ра­нее ремонтов. В качестве ориентировочного правила можно считать, что суммарные за­траты на ремонт за весь срок службы машины не должны превышать ее стоимости.

Делают попытки нахождения оптимальной долго­вечности, т. е. такой, при которой себестоимость продукции машины минимальна, но нельзя забывать и о техническом устаревании самого принципа работы машины. В главе 1 (рисунок 1.4) мы рассмотрели «линии жизни» технической системы и в соответствии с этой концепцией необходимо определить в каждом конкретном случае – кода следует переходить на новую техническую систему.

Стоимость машины.

Снижение стоимости машиностроительной продукции представляет комплексную задачу: производственную и конструкторскую. Основную роль играет ра­ционализация производства (механизация и автоматизация производственных процессов, концентрация технологических операций, спе­циализация заводов, производственное коопе­рирование и др.)-

Эти меры осуществимы и дают наибольший эффект при больших масштабах производства и стабильной продукции. Здесь на первый план выступает роль конструктора. Он должен обеспечить высокий потенциал разви­тия, заложив в конструкцию предпосыл­ки изготовления одной модели в течение длительного периода времени при наибольшем воз­можном масштабе выпуска, т. е. создать конструкцию, обладающую широкой применяемостью и ресурсами совершенство­вания.

Большое значение имеет уменьшение числа типоразмеров машины ра­циональным выбором типажа и ее парамет­ров, что позволяет повысить серийность производства с выигрышем в стоимости изготов­ления. Это тоже конструкторская задача.

Важно обеспечить технологичность конст­рукции (см. главу 21). Под технологичностью по­нимают совокупность признаков, обеспе­чивающих наиболее экономичное, быстрое и производительное изготовление машин с применением прогрессивных методов обра­ботки при одновременном повышении каче­ства, точности и взаимозаменяемости частей.

В понятие технологичности следует ввести также признаки, обеспечивающие наиболее производительную сборку изделия (техно­логичность сборки) и наиболее удобный и эко­номичный ремонт (технологичность ремонта).

Технологичность зависит от масштаба и ти­па производства. Единичное и мелкосерийное производство предъявляют к технологичности одни требования, крупносерийное и массо­вое — другие. Признаки технологичности спе­цифичны для деталей различных групп изго­товления.

Большой экономический эффект дают уни­фикация и стандартизация деталей, узлов и агрегатов. Эти факторы мы уже рассмотрели в главе 1.