Надежность. Понятия и определения

Методы определения допускаемых напряжений

Существуют два метода выбора допускаемых напряжений

а) табличный метод – конкретен, прост, удобен для пользования. Широко используется в НИИ, на заводах, СКТБ…

В зависимости от материала, вида термической обработки, технологии изготовления, цикла нагружения приведены в таблицах заранее рассчитанные значения допускаемых напряжений для отдельных видов деталей.

б) дифференциальный метод, заключающийся в том, что допускаемое напряжение определяется по формуле, учитывающей основные факторы, влияющие на прочность детали.

Например: по ГОСТ 21354-75 допускаемые контактные напряжения [σ]_H определяют по формуле:

[σ_Н] = σ_Н· K_НL· Z_R· Z_V /S_H

где σ_Н – предел контактной выносливости при базовом числе циклов;

K_НL – коэффициент долговечности;

Z_R – коэффициент, учитывающий шероховатость сопряженных поверхностей;

Z_V – коэффициент, учитывающий окружную скорость (при приближенном расчете Z_R· Z_V ≈ 1,0);

S_H – коэффициент безопасности (1,1…1,3) в зависимости от термообработки.

ЛЕКЦИЯ 3. Основные понятия о надежности
деталей машин

Учебные вопросы:

1. Надежность. Понятия и определения

2. Показатели надежности. Диаграмма развития отказов

3. Общие направления повышения надежности

Повышение надежности машин – одна из важнейших народнохозяйственных задач. Высокая надежность машин необходима для повышения уровня автоматизации, уменьшения огромных затрат на ремонт и убытков от простоев машин, для обеспечения безопасности людей.

В настоящее время в машиностроении необходимо значительно повысить надежность выпускаемой техники.

Определение надежности:

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах все параметры, обеспечивающие выполнение требуемых функций в заданных условиях эксплуатации.

Первостепенное значение надежности в технике связано с тем, что она в значительной степени определяет развитие техники по основным направлениям: автоматизация производства, интенсификация рабочих процессов и транспорта, экономия материалов и энергии.

Современные технические средства состоят из множества взаимодействующих механизмов, аппаратов и приборов. Так, автоматизированный прокатный комплекс насчитывает более миллиона деталей. Современные системы радиоуправления ракетами имеют десятки миллионов элементов и т.д. Отказ в работе хотя бы одного ответственного элемента сложной системы без резервирования приводит к остановке всей системы. Например, в 1965 году в США произошла крупнейшая авария в системе энергоснабжения, оставившая огромную часть территории страны с населением в 40 млн. человек в течение 14 часов без электроэнергии. Причиной аварии был выход из строя одного реле на распределительном щите Ниагарской ГЭС.

Последствия низкой надежности в строительстве просто ужасны (землетрясение в Армении в декабре 1988 года). Сравнить с последствиями землетрясения в Калифорнии в США (1989 г.).

Недостаточная надежность оборудования приводит к огромным затратам на ремонт, к простою оборудования, к авариям, связанным с большими экономическими потерями, разрушениями и человеческими жертвами.

На восстановление работоспособности отдельных групп машин ежегодно требуется средств больше стоимости выпускаемой ими продукции.

В теории надежности рассматриваются следующие обобщенные объекты:

Изделие – единица продукции, выпускаемая данным предприятием, цехом и т.д. Например, станок, подшипник, ремень.

Элемент – простейшая при данном рассмотрении составная часть изделия.

Система – совокупность совместно действующих элементов с целью выполнения заданных функций.

Основные понятия и термины надежности стандартизованы. Надежность характеризуется следующими основными состояниями и событиями (Надежность в технике. Термины. ГОСТ 13377-75).

Работоспособность – состояние изделия, при котором оно способно нормально выполнять заданные функции (с параметрами, установленными техническими требованиями).

Неисправность – состояние изделия, при котором оно не соответствует хотя бы одному из требований технической документации.

Отказ – событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности.

Отказы делят на внезапные (поломки от перегрузок, заедания), постепенные по развитию и внезапные по проявлению (усталостные разрушения, перегорание ламп, короткие замыкания из-за старения изоляции) и постепенные (износ, старение, коррозия, замыкание). Внезапные отказы вследствие своей неожиданности более опасны, чем постепенные.

Отказы могут быть связаны с разрушением деталей или их поверхностей (поломки, выкрашивание, износ, коррозия, старение) или не связаны с разрушением (засорение клапанов подачи топлива, смазки, ослабление соединений).

В соответствии с этим отказы устраняют: заменой деталей, регулировкой или очисткой.

Причинами отказов могут быть:

- конструктивные ошибки и недостатки (недостаточная прочность, неучтенные температурные и механические деформации, плохая защита от влаги и пыли и т.п.);

- производственные дефекты (раковины, трещины, включения примесей в металле);

- неправильная эксплуатация изделия (отсутствие регулировки подшипников, систематические перегрузки и т.п.);

- естественный износ, старение, потеря усталостной прочности детали.

Надежность изделий обуславливается следующими свойствами: безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. Все эти свойства проявляются в процессе эксплуатации изделия и позволяют судить о том, насколько оно оправдывает надежды потребителей.

Безотказность (надежность в узком смысле) – свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени без вынужденных перерывов. Это свойство особенно важно для машин, отказ в работе которых связан с опасностью для жизни людей или с остановкой автоматизированного производства.

Долговечность – свойство изделия длительно сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. «Предельное состояние» характеризуется невозможностью его дальнейшей эксплуатации, снижением эффективности или безопасности (выбраковка каната, min ремонтный размер шеек коленвала и т.д.).

В настоящее время делаются попытки нахождения оптимальной долговечности, т.е. такой, при которой себестоимость продукции изделия минимальна.

Долговечность, соответствующую минимуму себестоимости продукции, предлагают считать оптимальной. Однако, в ряде случаев подобная трактовка слишком упрощена.

Ремонтопригодность – приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

В конструкцию многих современных машин закладывают систему диагностики неисправностей, иначе машина неконкурентоспособна. Колоссальное внимание вопросам ремонтопригодности уделял в свое время авиаконструктор Ильюшин.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять обусловленные эксплутационные показатели в течение и после срока хранения и транспортировки. Практическая роль этого свойства особенно велика для военной техники и приборов. По данным США около 50% радиолокационного оборудования для армии вышло из строя за время хранения (период II мировой войны).

Рис. 3.1 Оптимальная долговечность деталей:
1 – постоянные затраты, которые не зависят от срока эксплуатации (энергия, материалы, зарплата); 2 – амортизационные расходы, обратно пропорциональные времени эксплуатации;
3 – годовые эксплутационные расходы (ремонт, т.о. и т.д.)

3.2. Показатели надежности.
Диаграмма развития отказов

Для оценки надежности используют характеристики.

Вероятность безотказной работы (Р(t)) – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ не возникает, т.е. 0 ≤ Р(t) ≤ 1,0.

Вероятность безотказной работы (при испытаниях) можно определить:

где N₀ – общее число испытанных изделий;

N(t) – число исправно отработавших изделий;

n(t) – число вышедших из строя изделий за период испытаний.

Интенсивность отказов λ(t) – это отношение среднего числа отказавших в единицу времени объектов к числу объектов, оставшихся работоспособными:

.

Этот показатель более чувствителен, чем вероятность безотказной работы, особенно для изделий высокой надежности.

Технический ресурс (ресурс) – наработка изделия с начала эксплуатации до предельного состояния. Ресурс обычно выражается в часах.

Гамма-процентный ресурс – это ресурс, который имеют или превышают в среднем обусловленное число (γ) процентов изделий. Он характеризует долговечность изделий при заданной вероятности.

Так для подшипников качения наиболее часто используют 90% ресурс, для весьма ответственных подшипников γ ресурс выбирают в размере 95% и выше.

При количественной оценке надежности используют различные законы распределения частоты отказов, например, экспоненциальный, Вейбулла, нормальный.

Для экспоненциального закона распределения

λ(t) = λ₀ = conct

P(t) = exp(-x),

где х = λt.

Рис. 3.2 Законы распределения:
а – экспоненциальный, б – Вейбулла

Этот закон справедлив для описания потока отказов с интенсивностью, когда время появления отказа не связано с предыдущей наработкой изделия. Этому закону подчиняются отказы по причинам усталостного разрушения.

Распределение Вейбулла используют для статистических моделей надежности в первый период эксплуатации, когда возможны приработочные отказы:

Нормальный закон распределения применяют, когда отказы обусловлены главным образом износом детали.

Рис. 3.3 Нормальный закон распределения

Выбор вероятностной модели может быть произведен только на основании статистического анализа эксплуатации изделий или их испытаний и не может быть обоснован математическими выкладками.

В целом, за время нормальной эксплуатации изделия интенсивность отказов не остается постоянной, а изменяется (рис. 3.4).

Рис. 3.4 Зависимость интенсивности отказов
от времени наработки

Физическая природа приработочных отказов (участок 0 – t₁) заключается в не идеальности технологии изготовления деталей, сборки узлов и агрегатов. Оставшиеся после механической обработки неровности в результате взаимного внедрения или зацепления либо срезаются, либо пластически деформируются. Приработка продолжается до тех пор, пока ширина образуемых площадок не превысит ширину впадин в зоне контакта деталей. В этот период интенсивность отказов уменьшается.

Внезапные отказы (участок t₁ – t₂) считаются неустранимыми при приработке и возможными при эксплуатации. Причина таких отказов заключается в том, что при эксплуатации существует вероятность появления внезапной концентрации нагрузки.

Износовые отказы (участок t > t₂) отражают естественные процессы разрешения объектов при их нагружении и взаимодействии со средой. Для механических объектов износовые отказы основываются на недостаточной длительности объемной и поверхностной прочности. Эти процессы по скорости разрушения могут быть быстротекущими (например, поломка зуба шестерни), средней скорости (например, постепенное снижение прочности от температуры или уменьшение сечения вследствие износа), медленно текущие (например, отказ от усталости, коррозии, ползучести металла). В механических объектах объемное и поверхностное разрушение имеет наибольшее значение, являясь причиной 80…85% отказов.

Задача конструктора при создании изделия – исключить в пределах заданного ресурса появление отказов обоснованным выбором соответствующих материалов, смазки, методов упрочнения, учетом в методике расчета всех факторов, влияющих на надежность.

Большое влияние на повышение надежности изделия имеет выбор рациональных технологических процессов изготовления.

Дата добавления: 2014-01-03