Основы работоспособности технических систем
 Скачать 0.68 Mb.
|
|
Трение качения – трение движения двух твердых тел, при котором их скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению. Основными количественными характеристиками (показателями) тре- ния являются сила трения и коэффициент трения. Силой трения называется сила сопротивления при относительном пе- ремещении одного тела по поверхности другого под действием внешней си- лы, тангенциально направленная к общей границе между этими телами. Коэффициент трения – отношение силы трения двух тел к нормаль- ной силе, прижимающей эти тела одно к другому. Сила трения скольжения , N f F тр (1.30) где f – безразмерный коэффициент трения скольжения; N – нормальная со- ставляющая внешних сил. Сила трения качения , R N f F к к тр (1.31) где к f - коэффициент трения качения; R – радиус цилиндра качения; N – нормальная составляющая внешних сил. 33 Коэффициент трения качения имеет линейную размерность и пред- ставляет собой полухорду зоны сжатия материала. Значение коэффициента трения качения зависит от упругих свойств материалов деталей сопряжения. В узлах трения сборочных единиц часто возникает одновременно тре- ние качения и трение скольжения. Это особенно характерно для элементов зубчатых передач. Изнашиванием называют процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела. Основными количественными характеристиками изнашивания являются износ, скорость изнашивания, интенсивность изнашивания. Износ – результат изнашивания (результат работы трения), опреде- ляемый в установленных единицах. Износ (абсолютный или относитель- ный) характеризует изменение геометрических размеров (линейный износ), массы (весовой износ) или объема (объемный износ) детали вследствие из- нашивания и измеряется в соответствующих единицах. Различают предель- ный и допустимый износы. Предельным называют износ, соответствующий предельному состоя- нию изнашивающегося элемента. Допустимым называют износ, при котором элемент сохраняет свою работоспособность. Допустимый износ всегда по абсолютной величине меньше предельного и соответствует предотказному состоянию элемента. Скорость изнашивания и v (м/ч, г/ч, м 3 /ч) – отношение износа И к интервалу времени , в течение которого он возник: / И v и (1.32) 34 Интенсивность изнашивания I – отношение износа к обусловленно- му пути L , на котором происходило изнашивание, или объему выполненой работы V : L И I / , или /V И I (1.33) При линейном износе интенсивность изнашивания величина безраз- мерная, а при весовом – измеряется в единицах массы, отнесенных к едини- це пути трения. Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление из- нашиванию в определенных условиях трения. Это величина, обратная скоро- сти изнашивания или интенсивности изнашивания, в соответствующих еди- ницах. Приработка – процесс изменения геометрии поверхностей трения и физико-химических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения. Он чаще всего проявляется (при постоянных внешних усло- виях) в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашива- ния. В каждом конкретном случае следует определить вид изнашивания поверхностей. Это необходимо в целях более эффективного управления про- цессами изменения технического состояния механических систем и обосно- вания мероприятий, направленных на снижение интенсивности изнашивания их элементов. Для этого задают следующие характеристики: тип относи- тельного перемещения поверхностей (схему фрикционного контакта); харак- тер промежуточной среды (вид смазочного материала или рабочей жидко- сти); основной механизм изнашивания. В сопряжениях технических систем существуют четыре типа относи- тельного перемещения рабочих поверхностей деталей: скольжение, качение, удар, осцилляция. 35 Осцилляцией называется перемещение, имеющее характер относи- тельных колебаний с малой амплитудой (в среднем 0,02…0,05 мм). По виду промежуточной среды между трущимися поверхностями раз- личают следующие виды изнашивания. Это изнашивание при трении без смазочного материала, изнашивание при трении со смазочным материалом и изнашивание при трении с абразивным материалом. В зависимости от свойств материалов деталей, смазочного или абра- зивного материалов, а также от их соотношения в сопряжениях в процессе работы возникают различного вида разрушения поверхностей. Поэтому из- нашивание разделяют на следующие виды: механическое (абразивное, гидро- и газоабразивное, кавитационное, эрозионное, гидро- и газоэрозионное, усталостное, изнашивание при заедании, изнашивание при фреттинге); кор- розионно-механическое (окислительное, изнашивание при фреттинг- коррозии); изнашивание при действии электрического тока (электроэрози- онное). Механическое изнашивание возникает в результате механических воздействий разного рода на поверхности трения. Коррозионно-механическим называют изнашивание в результате ме- ханического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрохи- мическим взаимодействием материала со средой. Электроэрозионным называют эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока. В технических системах этот вид изнашивания наблюдается в элементах элек- трооборудования: в генераторах, электрических стартерах, электромоторах, а также в электромагнитных пускателях. В реальных условиях работы сопряжений технических систем наблю- даются одновременно несколько видов изнашивания. Однако, как правило, удается установить ведущий вид изнашивания, лимитирующий долговеч- ность и работоспособность деталей, и отделить его от остальных, сопут- 36 ствующих видов разрушения поверхностей, незначительно влияющих на ра- ботоспособность сопряжения. Механизм ведущего вида изнашивания определяют путем тщатель- ного изучения изношенных поверхностей деталей и условий их работы в со- пряжениях. Характер проявления износа поверхностей трения (царапины, трещины, выкрашивания, отслоения окисных пленок) и показатели свойств материалов деталей и смазочного материала, а также данные о наличии и виде абразива, интенсивности изнашивания и режиме работы сопряжения, позволяют с достаточной полнотой обосновать заключение о виде изнашива- ния сопряжения.Это необходимо для разработки мероприятий по повыше- нию износостойкости, долговечности и работоспособности технических си- стем. Абразивным называется механическое изнашивание материала детали в результате, в основном, режущего или царапающего действия на него аб- разивных частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Интенсивность абразивного изнашивания прямо пропорциональна твердости абразивных частиц Н а и обратно пропорциональна твердости по- верхности трения Н мет. Гидро- и газоабразивным изнашиванием называется абразивное изнашивание в результате действия твердых частиц, взвешенных в жидкости (или газе) и перемещающихся относительно изнашивающейся поверхности тела. Эрозионным называется механическое изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости и (или) газа. Гидроэрозионным (газоэрозионным) изнашиванием называется эрозионное изнашивание поверхностей в результате воздействия потока жидкости (газа). Кавитационным называется гидроэрозионное изнашивание при дви- жении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа за- 37 хлопываются вблизи поверхности, что создает местное повышение давления или температуры. Усталостным называется механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя детали. Изнашивание при заедании происходит в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверх- ность. Коррозионно-механическое изнашивание характеризуется процес- сом истирания материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой. К коррозионно-механическому изнашиванию относят окислительное изнашивание и изнашивание при фреттинг-коррозии. Окислительным называют изнашивание, при котором основное вли- яние на разрушение поверхности имеет химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой. Изнашиванием при фреттинг-коррозии называется коррозионно- механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях. Изнашивание при фреттинге – механическое изнашивание соприка- сающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях в от- сутствии окисляющей окружающей среды, без проявления химической ре- акции материалов деталей и продуктов износа с кислородом. Избирательный перенос – это вид контактного взаимодействия дета- лей при трении, который возникает в результате протекания на поверхности комплекса механофизико-химических процессов. Он приводит, как правило, к снижению трения и автокомпенсации износа (иногда к явлению безызнос- ности). 38 Водородное изнашивание – процесс разрушения металлического эле- мента пары трения вследствие поглощения металлом водорода. 1.2. Влияние различных факторов на работоспособность технических систем Состояние технической системы оценивают по совокупности показа- телей, называемых параметрами технического состояния. Они позволяют также сравнивать системы между собой. Техническое состояние системы можно также косвенно оценить сопоставлением ее технико-экономических показателей и показателей надежности с эталонными (нормативными) зна- чениями. Однако такая оценка не дает представления о механизмах перехода элементов технических систем из одного состояния в другое, что является существенным недостатком. Процесс изменения работоспособности технической системы может быть представлен следующим образом. В результате воздействия окружаю- щей среды (атмосферных осадков, температуры, грунтовых условий и т.п.), режимов и характера нагружения, качества технического обслуживания, а также внутренних процессов (изнашивания, деформации, старения), проис- ходит изменение физико-механических свойств материалов деталей. Оно проявляется в разупрочнении, снижении твердости, износостойкости. Эти изменения вызывают микроповреждения рабочих поверхностей деталей, ко- торые, постепенно накапливаясь, вызывают изменения параметров и рабо- чих режимов сопряжений. Следствием этого является нарушение нормаль- ных режимов работы сборочных единиц и системы в целом (увеличение за- зоров, ухудшение температурного и нагрузочного режимов работы), что, в свою очередь, вызывает отказы технических систем. Техническое состояние систем можно условно представить в виде своеобразного «черного ящика» (см. рис. 1.4). Вход в него образуют показа- тели функционирования: КУ – климатические условия, ГУ – грунтовые 39 условия, РР – режим работы, ХИ – характер использования, ТОР – система технического обслуживания и ремонта, ТД – техническая диагностика. КУ ПТС ГУ РР ПФ ХИ ТОР ТЭПИ ТД ПН Рис. 1.4. Модель технического состояния системы Выходом являются параметры и показатели использования: ПТС – па- раметры технического состояния, ПФ – параметры функционирования, ТЭПИ – технико-экономические показатели эффективности использования, ПН – показатели надежности. То, что происходит в самом «черном ящике», т.е. каким образом изме- няется техническое состояние системы, определяет суть проблемы, которую с помощью теоретических исследований, статистических наблюдений и ис- пытаний уже много лет пытаются разрешить многие ученые. Несомненным и общепризнанным является то, что на изменение тех- нического состояния систем наиболее существенное влияние оказывают две группы факторов: - конструктивно-технологические, определяющие исход- ное качество проектирования и изготовления технических систем; - ком- плекс эксплуатационных факторов, определяющих условия функционирова- ния технических систем. Рассмотрению этих двух групп факторов посвящены следующие два раздела учебного пособия. Техническое состояние системы (ТСС) 40 1.2.1. Конструктивно-технологические факторы влияния Из данной группы к числу наиболее существенных факторов влияния на работоспособность технических систем относят выбор конструктивных решений при проектировании систем и их элементов. Подбор материалов деталей, технологических методов обработки, упрочнения и сборки также оказывают немаловажное влияние. Обеспечение работоспособности технических систем связано со всеми этапами их проектирования, изготовления и использования. Это проявляет- ся, начиная с момента формирования и обоснования идеи создания новой технической системы и кончая принятием решения об ее списании. Каждый из этапов вносит свою лепту в решение трудной задачи создания системы с требуемым уровнем надежности при приемлемых затратах времени и средств. Основные решения по надежности, принятые на стадии проектиро- вания или изготовления системы, непосредственно сказываются на ее экс- плуатационных и экономических показателях, которые нередко вступают между собой в противоречие. Поэтому выявление связей между показателя- ми надежности и возможностями их повышения на каждом из этапов проек- тирования, изготовления и эксплуатации технических систем, является од- ной из важнейших задач. При проектировании и расчете технической системы закладывается ее надежность. Она зависит от конструкции системы и ее узлов, применяе- мых материалов, методов защиты от вредных воздействий, системы смазки, приспособленности к ремонту и обслуживанию и других конструктивных особенностей. Рационализация компоновки и конструктивных решений технических систем позволяет свести к минимуму влияние производственных погрешно- стей и эксплуатационных факторов на их работоспособность и надежность. Очевидно, что более надежны и работоспособны в эксплуатации тех- нические системы, имеющие принципиально простые конструктивные схе- 41 мы и решения. Выполненные из материалов с проверенными и апробирован- ными в эксплуатации свойствами и требующие минимального объема тех- нического обслуживания при использовании по назначению, эти системы оказываются наиболее жизнеспособными. При подборе материалов деталей и рационального их сочетания в ки- нематических парах исходят из необходимости обеспечения заданной изно- состойкости и долговечности при приемлемой стоимости. В то же время необходимо учитывать назначение деталей и сопряжений, условия их рабо- ты, вид изнашивания. Элементы современных технических систем изготавливают из кон- струкционных, износостойких, фрикционных, антифрикционных, антикор- розионных, композитных и других материалов. Наиболее широко использу- ются качественные конструкционные и легированные стали, серый и ковкий чугуны, а также сплавы на основе меди и алюминия. Все более широкое применение находят полимерные и композитные материалы. Внезапные отказы технических систем, связанные с разрушением их элементов, возникают, как правило, в результате превышения предельно до- пустимых нагрузок. Уровень безотказности технической системы определя- ют соотношением наиболее вероятной (типичной) максимальной нагрузки на элемент и предельно допустимой расчетной нагрузки. Одним из путей по- вышения безотказности технических систем является увеличение запаса прочности их элементов. Повышение запаса прочности может быть достиг- нуто увеличением размеров деталей либо подбором материалов с более вы- сокими пределами прочности, износостойкости, усталости и других механи- ческих характеристик. Повышение запаса прочности деталей за счет увели- чения их размеров нельзя отнести к числу перспективных направлений. Бо- лее предпочтительным является снижение нагруженности деталей путем ра- ционализации формы и оптимизации параметров их рабочих поверхностей, 42 что также приводит к повышению запаса прочности и безотказности элемен- тов технических систем. С целью предохранения дорогостоящих деталей от разрушения (при резком увеличении нагрузки) в конструкциях технических систем преду- сматривают установку предохранительных устройств, которые, как правило, представляют собой легкозаменяемые элементы с пониженным запасом прочности. Для снижения интенсивности изнашивания технических систем и за- щиты от неблагоприятного воздействия факторов окружающей среды, предусматривают герметизацию их узлов и элементов. С этой целью уста- навливают защитные кожухи, предохраняющие рабочие поверхности дета- лей от попадания влаги и абразивной пыли, применяют коррозионно-стойкие материалы, проектируют надежные, герметичные системы смазки. Значительную роль для повышения долговечности и работоспособно- сти технических систем играют конструкции используемых уплотнений, обеспечивающих герметизацию внутренних объемов узлов и агрегатов. Защита элементов технических систем виброударного действия от ди- намических нагрузок путем применения современных амортизационных устройств или вынесения рабочего органа с вибратором за пределы силовой установки также позволяет повысить их долговечность и безотказность. Невозможно достичь высокой надежности и долговечности техниче- ских систем с устаревшим рабочим процессом и недостаточно совершенной структурной схемой или несовершенными механизмами. Следовательно, ос- новным направлением повышения работоспособности является обеспечение высокого технического уровня систем. К другому направлению следует отнести применение агрегатов и эле- ментов с высокой надежностью и долговечностью по самой их природе. Например, быстроходные агрегаты без механических передач, агрегаты и детали, работающие при чистом жидкостном трении или без механического 43 контакта (электрическое торможение, бесконтактное электрическое управ- ление); детали, работающие при напряжениях ниже пределов выносливости и т.д. Можно упомянуть также об элементах, самоподдерживающих работо- способность: самоустанавливающихся, самоприрабатывающихся, самосма- зывающихся, а также о самонастраивающихся и самоуправляющихся систе- мах. Наконец, резервом повышения надежности и работоспособности явля- ется переход на изготовление технических систем по жестко регламентиро- ванной и контролируемой технологии. При этом значительно уменьшается рассеяние ресурса, так как надежность целого ряда элементов систем во многом зависит даже от колебаний размеров в пределах полей допусков. Следовательно, чем меньше допуски, тем меньше колеблются параметры си- стем, тем выше их надежность и работоспособность в эксплуатации. При из- готовлении (производстве) технической системы обеспечивается ее надежность. Она зависит от качества изготовления деталей, методов кон- троля точности выполнения технологических операций, возможностей управления ходом технологического процесса. Еще в большей степени надежность зависит от качества сборки системы, ее узлов и агрегатов, мето- дов испытания готовой продукции и других показателей технологических процессов. Для контроля качества изготовления технических систем могут быть использованы следующие методы: теории статистической классифи- кации, случайных процессов, информативных параметров. |