Лекция 1 Предмет надежность машин Цель дисциплины
 Скачать 0.52 Mb.
|
1.4. Комплексные показатели надежности.Показатели обеспечения и оценки надежности, предусмотренные ГОСТ, следующие. 1.4.1 Коэффициент готовности Кг показывает вероятность того, что объект окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусматривается. Коэффициент статистически определяется: [16] где - средняя наработка на отказ; - среднее время восстановления; Кг - показывает долю, которую составляет время работы от суммарного времени, расходуемого на работу и восстановление, т.е. характеризует одновременно два различных свойства объекта: его безотказность и ремонтопригодность, а поэтому является комплексным Кг=0,7…0,9 1.4.2. Коэффициент технического использования.Кт.и. – отношение математического ожидания времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий времени пребывания объекта в работоспособном состоянии, времени простоев, обусловленных техническим обслуживанием, и времени ремонта за тот же период эксплуатации. Статистически определяется так: [17] где i – продолжительность работоспособного состояния; Тэкспл – продолжительность эксплуатации, состоящей из интервалов времени работы, технического обслуживания и ремонта. Если Тэкспл различно для каждого объекта, то Кт.и. считается так: [18] где tсум – суммарная наработка всех объектов пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации; tрем ,tто ,tвоссуммарное время простоев из-за планового и внепланового ремонта, технического обслуживания и восстановления за тот же период эксплуатации. Если разделить числитель и знаменатель на m, число общих отказов за рассматриваемый период, то [19] где Тn – среднее время, затрачиваемое при техническом обслуживании (профилактике) на один отказ; Коэффициент профилактики: [20] 1.4.3 Коэффициент оперативной готовности Ко.г. – вероятность того, что объект, находясь в режиме ожидания, окажется работоспособным в произвольный момент времени и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течении заданного интервала времени. Под режимом ожидания понимается нахождение объекта при полной или облегченной нагрузке без выполнения основных функций. [21] где Р(tр) – вероятность безотказной работы в течение времени (tр); Ко.г. – может характеризовать надежность техники 1.4.4 Коэффициент сохранения эффективности – отношение значения показателя эффективности за определенную продолжительность эксплуатации к номинальному значению этого показателя, вычисленному при условии, что отказы объекта в течение того же периода эксплуатации не возникают. Кс.э. – характеризует степень влияния отказов элементов объекта на эффективность его применения по назначению. Показатель качества, характеризующий эффективность выполнения объектом его функций, в зависимости от продолжительности его эксплуатации. Основные задачи, решаемые инженером-теплоэнергетиком с применением знаний надежности оборудования. 1. Определение и планирование годовых наработок. 2. Доремонтных и межремонтных ресурсов машин. 3. Определение количества и стоимости при устранение эксплуатационных отказов. 4. Определение календарных сроков постановки оборудования в ремонт. 5. Прогнозирование полных и остаточных ресурсов оборудования и их деталей и сопряжений. Особое значение надежность играет в настоящее время, т.к. своевременное прогнозирование работоспособности техники влияет наиболее существенно, в связи с тем, что ее количество на предприятиях сократилось, а внезапный выход из строя машины ведет к непоправимым последствиям, т.к. заменить другой быстро ее нельзя. II. Физические основы надежности.2.1 Факторы, снижающие надежность машин. Со временем машины улучшаются. В современных машинах причина различных изменений (повреждений и разрушений) деталей - это воздействие на них различных видов энергии (механической, тепловой, химической, электромагнитной) в виде различных полей и сред тех или иных параметров. Детали применяемого оборудования разрушаются под действием : внешние факторы а) Физических полей P,U и Т несущих нагрузок и скоростей. б) Химических полей, кислотной и щелочной сред. в) Совместное воздействие химических и физических полей. Разрушенный объект – утративший свои функциональные свойства. внутренние факторы разрушений. а) Усталость материала. б) Объемная газовая коррозия. Эти причины возникают в результате естественного старения. Они приводят к короблению деталей, образованию трещин, изменению макро и микроразмеров или полному разрушению. 2. Трение и смазка деталей оборудования. При взаимодействии двух тел, возникает трение. Практически все виды трения предусматривают наличие слоя, который является смазкой. Смазку применяют для снижения трения. Применяют как жидкие так густые смазочные материалы. Изнашивание деталей машин зависит от условий их эксплуатации, вида и характера трения. Виды трения. Принято различать трение покоя, движения, скольжения, качения и трение качения с проскальзыванием. Трение скольжения характеризуется тем, что скорости соприкасающихся деталей в точках касания различных по значению и направлению либо только по значению или только по направлению. Трение качения характеризуется условиями, когда скорости соприкасающихся деталей в точках касания одинаковы по значению и направлению. Для определения силы трения качения Кулон предложил формулу : [22] где: К – коэффициент трения качения, м; R – радиус цилиндра, м; Р – сила, с которой цилиндр давит на плоскость, н. Сила трения качения обуславливается упругими свойствами материала, в зависимости от которых изменяется коэффициент К , и от радиуса цилиндра. Формула справедлива только для определенных условий работы детали. По характеру протекания процесса различают сухое трение, граничное и жидкостное. Сухое трение, т.е. трение без смазки поверхностей почти не встречается в природе, т.к. при воздействии среды, в которой работает сопряжение, на поверхности металлических деталей образуются адсорбированные слои, т.е. слой масла, воды и газов. 1.- адсорбирующий слой масла, воды и газов. 2.- слой пониженной твердости. 3.- упрочненный слой повышенной твердости. 4.- основной не деформируемый металл. 4 3 2 1 Исключения составляют сопряжения, работающие без смазки при отсутствии влаги и периодическом попадании сухих абразивных частиц. Граничное трение – такое, когда на трущейся поверхности находится слой жидкости, имеющий особые свойства, отличающиеся от объемных свойств жидкости при жидкостном трении. Жидкостное трение – такое, когда трущиеся поверхности деталей разделены слоем жидкости с объемными свойствами жидкостей. В процессе работы сопряжения общая сила трения будет суммой сил, возникающих в результате работы различных частей поверхности в различных режимах терния. Отсюда общая площадь, участвующая в трении, где: Sc – площадь поверхности, работающая в режиме сухого трения.; Sгр – площадь поверхности, работающая в режиме граничного трения; Sж – площадь поверхности, работающая в режиме жидкостного трения. В зависимости от изменения соотношений этих площадей изменяется и коэффициент трения. [23] Теории трения: а) Механическая. Впервые закон трения был сформулирован французским физиком Амонтоном в 1699 году и выражен равенством: [24] где: F - сила трения, Н; - коэффициент трения; N - нормальная нагрузка, Н. Затем, в 1785 году французский физик Ш.О.Кулон ввел в это равенство постоянное слагаемое, учитывающее адгезионное схватывание поверхностей [25] где: А - постоянное слагаемое (выводится экспериментально). Английский физик Ф.Р. Боунден предложил для силы трения выражение: [26] где: Fc – сопротивление срезу металлических соединений, в Н; Fn – сопротивление пластическому вытеснению более твердым металлом менее твердым, в Н; – удельное сопротивление вытеснению металла; – касательное напряжение срезу, Па; Sф – фактическая плотность контакта, м2; S - поперечное сечение дорожки трения, м2. б) Молекулярная. Русский физик Б.В.Дерягин (1941 гг.) развил молекулярную теорию трения и предложил закон трения в таком виде: [27] где: F – сила трения, Н; S – площадь истинного контакта, м2; 1 – коэффициент трения; Р0 – удельная сила молекулярного взаимодействия, Па – удельное давление, Па. Причина возникновения трения – атомные взаимодействия поверхностей, образующих сопряжения. При этом под действием внешнего давления электронные оболочки атомов настолько сближаются, что развивается отталкивающие силы. Сила, которая преодолевает возникающее отталкивающее атомные силы, и становится силой трения. в) Молекулярно-механическая. Советский физик И.В. Крагельский (1946 год) разработал молекулярно-механическую теорию трения [28] где: мех – составляющая силы трения механического происхождения, Н; мол – составляющая силы трения молекулярного происхождения, Н; Sф – фактическая площадь контакта, м2; N - давление, Па; и - величины, определяемые из опыта. г) Гидродинамическая теория трения. Учеными М.П. Петровым (1883 г.), Н.Е. Жуковским (1886-1889 гг.), С.А.Чаплыгиным (1894-1896 гг.), О. Рейнольдсом (1886 г.),А. Зоммерфельдом (1931 г.), Е.М. Гутьяром и другими разработаны основы гидродинамической теории трения. Петров предложил формулу для определения силы трения: [29] где: F – сила вязкого сдвига в нагруженной части подшипника, Н; – абсолютная вязкость масла, Па* с; V – относительная скорость перемещения трущихся поверхностей, м/с; S – площадь поверхностей, скользящих одна относительно другой, м2; h – толщина масленого слоя, м. Для определения наивыгоднейшего зазора, при котором обеспечивается оптимальная толщина масленого слоя, профессор В.И. Казанцев (1940 г.) основываясь на гидродинамическую теорию трения, предложил формулу: [30] где: d – диаметр вала, м; n – частота вращения вала, об/с; – абсолютная вязкость масла, Па/с; k – удельное давление, Па; с – поправка на удельную длину подшипника (по Гюмбелю) Максимально допустимый зазор можно определить по формуле: где: – величина, зависящая от неровности поверхности вала и подшипника и размера абразивных частиц, находящихся между трущимся поверхностями. [31] д.) Классификация изнашиваний Процессы изнашивания деталей оборудования сопровождаются сложными физико-химическими явлениями и многообразием, влияющих на них факторов. В соответствии с ГОСТ 16429-70 изнашивания разделяют на следующие виды: Молекулярно-механическое изнашивание – такое, при котором механическое воздействие сопровождается одновременно воздействием молекулярных или атомных сил на поверхности детали. Механическое изнашивание- такое при котором вследствие механического воздействия изменяются форма и объем трущихся частей без существенных физических и химических изменений. Коррозионно-механическое – характеризуется механическим изнашиванием в сопровождении с существенными химическими изменениями поверхностей, т.е. при трении материал вступает в химическое взаимодействие со средой. Абразивное изнашивание – такое, при котором механическое изнашивание материала происходит в результате режущего и царапающего действия твердых тел или частиц. Абразивное изнашивание отличается от процесса резания металлов в основном некоторыми специфическими особенностями: геометрическими размерами абразивных частиц, малыми сечениями срезаемой стружки и т.п. Различают гидроабразивное и газоабразивное изнашивание, т.е. изнашивание в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа. Усталостное изнашивание – такое, при котором изменение поверхности трения или отдельных ее участков происходит в результате повторного деформирования микрообъема материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц. Основные показатели усталостного изнашивания – глубина деформируемого слоя на поверхностях трения (глубина усталостных трещин и впадин) и интенсивность пластической деформации металла. Усталостное изнашивание зависит от удельных давлений сопряжений, частоты циклов нагрузки, размеров, формы и свойств металлодеталей. Поверхностные слои разрушаются из за усталости металла. Первые трещины возникают под = 300. Рис. 7 Усталостное изнашивание Увеличения трещин происходит вследствие концентрации напряжений из-за коррозии металла и расклинивающего действия масла. Окислительное изнашивание-процесс, при котором в результате взаимодействия материала с кислородом воздуха на поверхности трения образуются пленки окислов. Рис. 8 Окислительное изнашивание В первой фазе (образование твердых растворов) трущиеся поверхности изнашиваются вследствие постоянного образования и уноса поверхностных пленок. Во второй фазе (образование химических соединений) трущиеся поверхности изнашиваются вследствие периодического образования и выкрашивания хрупкого слоя. Эрозионное изнашивание - такое, при котором износ поверхности детали происходит в результате воздействия потока жидкости или газа. Кавитационное изнашивание - характеризуется повреждением поверхности детали при относительном ее движение в жидкости в условиях кавитации. При этом пузырьки газа разрываются вблизи поверхности, что создает местное повышение давления или температуры, образуя язвы. Рис.9 Кавитационное изнашивание Изнашивание в результате схватывания (при заедании) – глубинное вырывание материала, перенос его с одной поверхности трения на другую и воздействие возникающих неровностей на сопряженную поверхность. |