Надежность и ремонт машин

Ярославская Государственная  Сельскохозяйственная академия 

Кафедра технического сервиса 
 
 

Контрольная работа по предмету

“Надежность и ремонт машин ” 

1) Ремонтопригодность— свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. 
 

Восстанавливаемой называют систему, которая в процессе своей эксплуатации допускает ремонт, к невосстанавливаемым - соответственно система, которая в процессе выполнения своих функций в силу причин технического либо экономического характера, проведение ремонтов не допускает.

К числу широко применяемых показателей ремонтопригодности объектов относят следующие. 

Среднее время  восстановления Тв – это математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния объекта после отказа. 

Вероятность восстановления v (t) — это вероятность того, что  время восстановления Тв объекта (элемента или системы) будет меньше времени t, т.е. не превысит заданного: 

v (t) = v (Tв < t).                       

Вероятность невосстановления w (t) — это вероятность того, что  время восстановления Тв объекта (элемента или системы) будет больше или  равно времени t: 

w (t) = w (Tв ≥  t) = 1 — v (t).           

Интенсивность восстановления μ(t) в момент времени t, отсчитываемый от начала восстановления, — это отношение плотности вероятности восстановления к вероятности невосстановления: 

μ(t) = v'(t)/w (t) = w'(t)/w (t).          

Для оценки ремонтопригодности наибольшее применение получил показатель – среднее время восстановления после отказа. 

Статистическая  оценка среднего времени восстановления может быть получена по результатам  наблюдения за n однотипными электросетевыми  объектами с приблизительно одинаковыми  условиями эксплуатации и ремонта: 

,                                    

где Ni – число  отказов с последующим выполнением  ремонтно-восстановительных работ  на i-ом объекте, причем Ni = 0,1,2,…; 

n – количество  наблюдаемых объектов; 

tвij  - время,  затраченное на проведение ремонтно-восстановительных работ на i-ом объекте при j-м его отказе, причем j = 0,1,2,..., Ni;    i = 1,2..., n. 

А время восстановления, например, выключателей можно определить по другой формуле. К примеру, при  внезапных отказах выключателей отключившиеся элементы (генерирующие агрегаты, трансформаторы, ЛЭП) в большинстве случаев могут быть введены в работу раньше, чем будет произведен ремонт выключателя. При этом длительность их простоя (время восстановления) определяется временем, необходимым для выполнения переключений в РУ: 

Tср = T0 + Tрnр,                             

где T0 — постоянная составляющая, равная времени, необходимому для того, чтобы обслуживающий  персонал мог прийти в РУ и установить характер повреждения (для подстанций с обслуживанием Т0 = 0,1 -0,3 ч); 

Тр = 0,1 ч —  время для отключения (включения) разъединителя; 

nр — число  разъединителей, которые должны  быть отключены (включены) для  отделения поврежденного выключателя  и ввода отключившихся элементов  в работу. 

Заметим, что среднее время восстановления представляет собой среднее значение времени отыскания и устранения имеющейся неисправности. При этом учитывается как среднее время проведения ремонтных работ по восстановлению повредившегося или отказавшего оборудования, так и среднее время, необходимое для проведения оперативных переключений по восстановлению нормальной схемы электроустановки или замене отказавшего оборудования резервным. 

Выделяют следующие  показатели сохраняемости объектов. 

Средний срок сохраняемости– это математическое ожидание срока сохраняемости. 

Гамма-процентный срок сохраняемости– это срок сохраняемости, достигаемый объектом с заданной вероятностью , выраженной в процентах. 

Назначенный срок хранения — срок хранения, по достижении которого хранение объекта должно быть прекращено независимо от его технического состояния. 

В качестве показателя сохраняемости рекомендуется использовать средний срок сохраняемости. 
 

Все рассмотренные  показатели надёжности устанавливаются  для конкретного вида и типа оборудования, аппаратуры и конструкций посредством проведения заводских испытаний по определённой программе или на основе статистических данных об имевших место отказах за определённый период эксплуатации объектов и вычисления статистических оценок. Последнее даёт наиболее реальные оценки для электрической сети с учётом существующей в ней организацией и условиями эксплуатации. В этой связи следует отметить значимость качественного расследования и учёта технологических нарушений в элементах электрической сети, позволяющие сформировать полную многолетнюю базу данных по аварийности для получения статистических оценок надёжности. 
 
 
 

2) сновной причиной нарушения работоспособности машин и возникновения отказов являются изменения, происходящие в материалах деталей в результате трения и изнашивания. 

Исследованием процессов трения и изнашивания  деталей машин занимается наука  — трибоника. Основы теории трения и изнашивания разработаны советскими учеными П. А. Ребиндером, В. Д. Кузнецовым, Л. К. Зайцевым, И. В. Крагельским, М. М. Хрущевым, Б. И. Костецким. 

Внешним трением  называют явления сопротивления  относительному перемещению, возникающего между двумя телами в зонах  соприкосновения поверхностей по касательным  к ним . Основной характеристикой  внешнего трения является сила трения — сила сопротивления относительному перемещению двух тел при трении. Преодоление силы трения на пути перемещения тел носит название работы трения. 

В зависимости  от отсутствия или наличия движения различают трение покоя и трение движения. 

Трение покоя представляет собой трение двух тел при микросмещениях до перехода к относительному движению, а трение движения — трение двух тел, находящихся в относительном движении. 

В свою очередь  трение движения подразделяется на следующие  виды: трение качения и скольжения. 

Трение скольжения характерно тем, что скорости тел  в точке касания различны по величине и направлению или по величине или по направлению. В свою очередь  трение качения представляет собой  трение движения двух твердых тел, при  котором их скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению. В зависимости от наличия смазочного материала различают трение без смазочного материала и трение со смазочным материалом. 

Трение без  смазочного материала представляет собой трение двух тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида, а трение со смазочным материалом характеризуется тем, что трение происходит при наличии на поверхности трения введенного смазочного материала любого вида. 

Понимание сущности процессов трения обусловливает правильный выбор конструктивных и эксплуатационных мероприятий, направленных на повышение долговечности элементов машин. На характер трения влияют качество рабочих поверхностей сопряженных деталей и их физические свойства. 

Трение без смазочного материала всегда сопровождается механическим повреждением трущихся поверхностей, упругопластическим деформированием, задирами, интенсивным теплообразованием, возникновением шума и вибрации. Для этого вида трения характерно как механическое, так и молекулярное взаимодействие поверхностей. 

Наличие смазочного материала между трущимися поверхностями  не только уменьшает трение вследствие скольжения слоев смазки друг по другу. Смазка, проникая в имеющиеся на поверхности деталей микропоры, снижает пластическую деформацию материала, способствует перераспределению давления и, таким образом, обеспечивает благоприятные условия приработки поверхностей. В результате трения наблюдается явление, носящее название изнашивание. 

Изнашивание —  процесс разрушения и отделения материала от поверхности твердого тела и накопления его остаточной деформации, проявляющейся в постепенном изменении размеров и форм тела. 

При эксплуатации машин интенсивность изнашивания  деталей не является постоянной. В  начальный период работы наблюдается довольно быстрый износ (результат изнашивания) деталей участок 0 —а). Продолжительность этого периода обусловливается качеством поверхности и режимом работы механизма. 

При правильном выборе режимов приработки (участок 0— а)довольно быстро устанавливается определенная шероховатость поверхностей. При такой шероховатости наступает период так называемого нормального или установившегося изнашивания (участок а—б).Этот период характеризуется небольшой, примерно постоянной по величине степенью изнашивания и продолжается до тех пор, пока изменение размеров или формы деталей не повлияют на условия их работы. Накопление изменений геометрических размеров и физико-механических свойств деталей ведет к ухудшению условий работы сопряжения. Основным фактором при этом является повышение динамических нагрузок вследствие увеличения зазоров в трущихся парах. В результате наступает период прогрессивного изнашивания (участок б — в). 

Существует несколько  классификаций изнашивания. Наиболее распространенной является классификация в соответствии с ГОСТ 23.002—78. В зависимости от характера преобладающих факторов различают механическое и коррозионно-механическое изнашивание. 

Механическое  изнашивание возникает в результате механических воздействий. К этому  виду изнашивания относят абразивное и усталостное. 

Абразивное изнашивание  возникает в результате режущего или царапающего действия твердых  тел или частиц. Эти тела или  частицы, обладая большей, чем металл, твердостью, разрушают поверхность  деталей и резко увеличивают  их износ. Примерами абразивного изнашивания могут служить изнашивание деталей открытых сопряжений машин — шкворней, подшипников катков гусеничного хода и др. 

В результате действия твердых частиц, взвешенных в жидкости или газе и перемещающихся относительно изнашивающегося тела, происходит гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание. Примером гидроабразивного изнашивания может служить изнашивание гидроцилиндров, насосов и распределителей а газоабразивного — изнашивание деталей двигателя внутреннего сгорания. 

Механическое  изнашивание или газа носит название эрозионного изнашивания. Эрозионному  изнашиванию подвергаются жиклеры  карбюратора, распылители форсунок, клапаны двигателя и некоторые  другие детали машин. 

Механическое  изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя металла носит название усталостного изнашивания. Этот вид изнашивания наблюдается на рабочих поверхностях зубьев шестерен. 

Кавитационное изнашивание — гидроэрозионное  изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное повышение давления или температуры. Кавитационному изнашиванию могут подвергаться гильзы блока цилиндров двигателя, лопасти водяного насоса системы охлаждения и др. 

Одним из наиболее опасных и разрушительных видов  изнашивания является заедание, которое  возникает в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность. Этот вид изнашивания характерен для многих сопряжений машин. 

Коррозионно-механическое изнашивание характеризуется процессом  трения материала, вступившего в  химическое взаимодействие со средой. При этом на поверхности образуются новые менее прочные химические соединения, которые в процессе работы сопряжения удаляются с продуктами износа. Примером этого вида изнашивания является изнашивание деталей цилиндропоршневой группы двигателя в результате воздействия таких агентов коррозии, как серная, сернистая и органические кислоты. 

Коррозионно-механическое изнашивание включает окислительное  изнашивание и изнашивание при  фретинг-коррозии. При первом из них  основное влияние на изнашивание  оказывает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой, а второе — характеризуется коррозионно-механическим изнашиванием соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях.

Рис. 4.2. Характер изменения износа деталей в процессе работы. 

Для обеспечения  надежной работы машин при их эксплуатации необходимо установить, какие из рассмотренных  видов изнашивания в данных конкретных условиях наиболее нежелательны с точки  зрения снижения работоспособности  машин, и разработать эффек­тивные методы борьбы с ними. 

Исследования  показывают, что в связи с проблемой  повышения надежности все виды изнашивания  могут быть подразделены на две группы: допустимые виды, характеризуемые относительно малыми скоростями развития, и недопустимые, характеризуемые интенсивными процессами разрушения. 

Основной задачей  эксплуатации является создание таких  условий, при которых бы не происходило  перехода от нормальной работы к аварийной, от допустимого изнашивания к другим видам, вызывающим разрушение поверхностей деталей. С учетом этого можно сформулировать следующие основные направления совершенствования эксплуатации машин, направленные на уменьшение изнашивания, а следовательно, и на повышение надежности: 

повышение квалификации обслуживающего персонала; 

строгое соблюдение рекомендаций инструкции по эксплуатации; 

обеспечение нормальных режимов работы машины; соблюдение правил транспортировки и хранения машин; совершенствование организации и технологии технического обслуживания. 

Квалификацией обслуживающего персонала определяется качество подготовки машины к работе, ее технического обслуживания и ремонта. Строгое соблюдение рекомендаций, приведенных  в инструкциях по эксплуатации, связано со своевременным проведением работ по техническому обслуживанию и ремонту. 

Обеспечение нормальных режимов работы связано с работой  без перегрузок, что приводит к  уменьшению изнашивания сопряженных  деталей. Совершенствование организации  и технологии технического обслуживания предусматривает высокий уровень выполнения этих работ, включение в технологический процесс диагностирования, а также широкую механизацию проведения работ. 

В процессе работы машины между соприкасающимися поверхностями  подвижных деталей возникают силы трения, которые преобразуют часть энергии в тепло и вызывают износ этих деталей. В результате изнашивания уменьшается КПД и точность агрегатов, увеличивается  расход горюче-смазочных материалов. Повышенный износ деталей понижает безопасность использования оборудования, особенно транспортных средств. 

       При наличии смазочного материала  между трущимися поверхностями  коэффициент трения резко снижается,  значительно улучшаются и облегчаются  условия работы подвижных деталей  машин и механизмов. В сопрягаемых деталях, воспринимающих ударную нагрузку, смазочный  материал работает как гидравлический буфер или амортизатор. Наличие смазочной пленки на трущихся поверхностях защищает рабочие поверхности от интенсивных молекулярных процессов, возникающих при трении. Смазочная пленка устраняет непосредственный контакт между трущимися поверхностями, охлаждает их и уносит вредные продукты износа. Отсутствие смазочного материала между трущимися деталями, хотя бы на короткое время, приводит к значительному ухудшению процесса трения и к повышенным износам, а иногда и к серьезным поломкам. При любых режимах работы машины и различных внешних условиях смазочный материал должен своевременно и в достаточном количестве поступать к рабочим поверхностям. Для повышения износостойкости деталей машин большое значение имеет качество смазочного материала. 

Поскольку поверхности  деталей имеют шероховатость  и волнистость, обусловленные технологической  обработкой, а также трением и  изнашиванием, то контакт сопрягаемых деталей является дискретным и площадь касания составляет незначительную часть от номинальной площади [10]. По данным исследований [34], все реальные детали имеют контакт поверхностей на площади, которая составляет всего 5—10% и лишь иногда доходит до 25% номинальной. 

Вопросам износостойкости  уделяется значительное внимание; опубликован  ряд капитальных работ, в которых  систематизирован опыт по вопросам теории трения и изнашивания. Накопленный  экспериментальный и теоретический  материал позволяет управлять процессами фрикционного взаимодействия деталей применительно к конкретным условиям их работы, предсказать величину износа, а также повысить их износостойкость. 

Трение твердых  тел развивается в микрообъемах зон касания. Свойства материалов в  процессе трения изменяются. Трение имеет молекулярно-механическую природу. Оно обусловлено преодолением адгезионной связи между двумя поверхностями (обычно — между пленками, которыми покрыты твердые тела) и объемным деформированием материала в тонком поверхностном слое. 

При механическом взаимодействии в зависимости от глубины внедрения элементов  поверхностей и соотношения их механических свойств при тангенциальном смещении наблюдается различный характер нарушения пятен касания, которые  называют фрикционными связями. Вид нарушения фрикционных связей зависит от относительного внедрения , где  — глубина внедрения;  — радиус внедрившейся неровности. 

В основе молекулярно-механической теории трения лежит представление  о дискретности контакта твердых  тел, обусловленной шероховатостью и волнистостью их поверхностей. Трение осуществляется на отдельных пятнах контакта с поперечником 0,1 — 30 мкм, которые возникают в результате деформаций неровностей. Пятна контакта распределены на гребнях волн, а деформации неровностей могут быть упругими и пластическими (рис. 1). 

При рассмотрении контакта деталей различают номинальную  площадь контакта, соответствующую  номинальным сопрягаемым размерам деталей ; фактическую (физическую) площадь контакта, равную сумме фактических малых площадок соприкосновения (указаны точечной штриховкой); контурную площадь касания, представляющую собой сумму площадок, ограниченных контурами, в которые вписаны области с близлежащими площадками фактического контакта. Контурные площадки легко обнаруживаются при проверке сопряжения деталей на краску — это пятна касания (на рисунке обведены штриховыми линиями). 

Рис. 1. Схема контактирования деталей Рис.2. Схема изнашивания поверхностей трения 

Контактирование поверхностей при восприятии нагрузки осуществляется вершинами волн, образуемых микрогеометрическими отклонениями. В контакт первыми вступают противостоящие друг другу выступы на сопряженных поверхностях. Деформация неровностей и их оснований вызывает сближение поверхностей. По мере повышения нагрузки это сближение увеличивается, и в контакт вступают новые пары выступов. Разновременность вхождения в контакт выступов, отличающихся по высоте, делает различными степени их нагружения и деформации. Выступы поверхностей после однократного нагружения наклёпываются и при повторных нагрузках (не выше первоначальной) деформируются упруго. Пластическая деформация выступов микронеровностей и их взаимное внедрение начинаются при среднем давлении в зоне контакта, соответствующем примерно утроенному пределу текучести материала. 

Площадь фактического контакта состоит из множества расположенных  на различных высотах пятен касания  в местах наиболее полного сближения  поверхностей. Между площадками касания  тел имеются соединенные между  собой либо закрытые микрополости, заполненные газовой средой, смазочным материалом и продуктами износа. Прирост фактической площади контакта происходит в основном за счет увеличения числа пятен контакта. В пятнах контакта образуются адгезионные связи между материалами сопряженных пар или их окисными пленками. 

При сдвиге одной  из контактирующих поверхностей относительно другой их выступы должны деформироваться, а усилие деформации будет примерно равно силе трения. Если одна из поверхностей тверже другой, то выступы более твердой поверхности будут в другой вырезать канавки. Изнашивание поверхностей при таком движении можно представить по следующей схеме (рис. 2): твердое зерно движущейся детали А вырабатывает на поверхности детали Б канавку г, при этом зерно собирает впереди себя стружку. Эта стружка в дальнейшем уплотняется настолько, что может оказаться прочнее зерна 1. Последнее вырывается из поверхности детали А и, упираясь в уплотненную стружку, начинает вырабатывать канавку уже в поверхности детали А. Таким образом изнашиваются обе детали. 

Адгезия двух твердых  тел обусловлена межмолекулярным  взаимодействием, сила которого резко  убывает с расстоянием. Для проявления адгезии необходима достаточная  площадь касания и незначительная упругость твердых тел. Если тела достаточно упруги, то образовавшаяся под нагрузкой площадь касания исчезает при снятии нагрузки, и адгезию обнаружить не удается. Поэтому адгезия твердых тел хорошо проявляется у пластичных материалов, подвергнутых достаточно значительной сжимающей нагрузке. 

Разработанная И. В. Крагельским молекулярно-механическая (адгезионно-деформационная) теория определяет коэффициент трения как сумму молекулярной и механической составляющих. Молекулярная составляющая определяется сдвиговым сопротивлением различных пленок, покрывающих поверхности твердых тел. Формула для определения коэффициента трения имеет следующий вид: (1.1)

где —параметры, характеризующие сдвиговое сопротивление молекулярной связи;

— коэффициент, характеризующий форму  неровностей и распределение  их по высоте; — коэффициент гистерезисных потерь; — гистерезисные потери при одноосном нагружении; — относительное внедрение единичной неровности. 

Молекулярно-механическая теория трения дает возможность представить  и механизм изнашивания. Если при  скольжении происходит срез адгезионных связей, то это возможно при таких обстоятельствах. 

1. Если адгезионная  связь менее прочна, чем основной  материал, то срез происходит  по поверхности касания. В этом  случае износ будет минимальным. 

2. Если адгезионная  связь прочнее одного из материалов, то срез происходит не по поверхности касания, а на некоторой глубине внутри более мягкого материала. В этом случае наблюдается значительное повышение износа. 

3. Если прочность  адгезионной связи выше прочности  обоих материалов, то срез происходит также в глубине, причем основная его часть — в более мягком материале. Вполне возможны отдельные вырывы частиц более твердого материала. 

4. При контактировании  одинаковых материалов в результате  деформации их поверхностные  слои получают некоторый наклеп и поэтому их сопротивление сразу несколько увеличивается. В этом случае срез чаще происходит в глубине соприкасающихся тел и сопровождается значительными повреждениями их поверхностей. По этой причине трение одноименных материалов приводит к значительному износу. 

Механизм изнашивания  при трении значительно усложняется  наличием на контактирующих поверхностях окисных и других пленок, образующихся, в частности, от воздействия окружающей среды. Окисные пленки уменьшают  величину адгезионного взаимодействия между поверхностями. Прочность этих пленок меньше прочности основного материала, поэтому разрушение адгезионных связей происходит не в глубине материала, а в поверхностных слоях. 

В работе определены три положения современной модели фрикционного контактного взаимодействия твердых тел. 

1. Трение обусловлено  как преодолением молекулярного  взаимодействия между сближенными  поверхностями (в пределе —  это «мостики сварки»), так и  упругим или пластическим деформированием  поверхностных слоев. 

2. Поскольку между двумя поверхностями всегда возникает «схватывание», то при внешнем трении процессы деформирования контактирующих неровностей должны протекать как можно ближе к поверхности твердого тела. В связи с этим обязательным условием внешнего трения является формирование на поверхности твердого тела менее прочной тонкой пленки. Измененный тонкий поверхностный слой трущихся деталей И. В. Крагельский назвал «третьим телом» 

3. Поверхности  трения должны иметь шероховатости,  которые выполняют роль микрорезервуаров для размещения смазочного материала, формирующего третье тело. 

Из формулы (1.1) видно, что для снижения трения необходимо, чтобы на поверхности детали была тонкая пленка промежуточного мягкого  материала; пленка должна быть малопрочной  и не подвергаться наклепу. В этом случае коэффициенты будут иметь минимальные значения. При наличии мягкой пленки и твердой подложки механическая составляющая коэффициента трения в формуле (1.1) также будет иметь минимальное значение. Это указывает на необходимость обеспечивать технологическими методами оптимальные значения параметров шероховатости поверхностей трения.