5.5. Анализ неисправностей и предельного состояния элементов оборудования

Образование и развитие неисправностей оборудования объясняет­ся действием существующих закономерностей. Неисправности появля­ются в результате постоянного или внезапного снижения физико-меха­нических свойств материала деталей, их истирания, деформирования, смятия, коррозии, старения, перераспределения остаточных напря­жений и других причин, вызывающих разрушение деталей. В боль­шинстве случаев происходят изменения в сопряжениях — нарушения заданных зазоров в подвижных соединениях или натягов в неподвиж­ных. Практически любая неисправность является следствием измене­ния состава, структуры или механических свойств материала, конст­руктивных размеров деталей и состояния их поверхностей.

Появление неисправностей обусловлено конструктивными, тех­нологическими и эксплуатационными факторами.

К. конструктивным факторам относятся: расчетные нагрузки, ско­рости относительного перемещения, давления, материалы, их физи­ко-механические характеристики и структура, конструктивное ис­полнение деталей и сборочных единиц, форма и величина зазоров или натягов в сопряжениях, макрогеометрия, шероховатость и твер­дость поверхностей, условия смазывания и охлаждения деталей.

Технологическими факторами являются приемы, способы, точ­ность и стабильность получения заготовок, виды механической, тер­мической, упрочняющей и финишной обработки при изготовлении деталей, правильность сборки, регулирования, приработки и испыта­ния узлов, агрегатов и машин.

Эксплуатационные факторы оказывают решающее воздействие на сохранение свойств элементов машин, обеспечиваемых их конструк­цией и технологией изготовления. К эксплуатационным относятся следующие факторы:

— определяемые назначением машины, ее нагрузочными и скоро­стными режимами, а также интенсивностью эксплуатации;

— не зависящие от назначения машины (условия эксплуатации, своевременность, полнота и качество технического обслужива­ния и др.).

Например, детали типа валов и осей в процессе эксплуатации под­вергаются действию переменных нагрузок. Эти детали испытывают четыре вида нагрузки: односторонний изгиб, одностороннее круче­ние, переменный изгиб и переменный изгиб с кручением. Около 75% цилиндрических поверхностей имеют различные концентраторы на­пряжений: галтели, пазы под шпонки, кольцевые канавки, отверстия, лыски и резьбы.

Различный срок службы (ресурс) даже однотипных деталей обу­словлен многими причинами. Основными из них являются следую­щие: разнообразие функций деталей в машине; широкий диапазон изменения действующих на детали нагрузок; наличие как активных (движущихся), так и пассивных (неподвижных) деталей; разнообра­зие видов трения в сопряжениях; использование разных материалов в парах трения, вызванное необходимостью снижения сил трения; отклонения в свойствах материалов; точность и качество обработки сопрягаемых деталей; условия эксплуатации.

Неисправности деталей машин можно разделить на три группы: износы, механические повреждения и химико-тепловые повреждения.

Износы деталей машин определяются давлением, циклическими нагрузками, режимом смазывания и степенью его стабильности, ско­ростью перемещения поверхностей трения, температурным режимом работы деталей, степенью агрессивности окружающей среды, каче­ством обработки и состоянием поверхностей трения и т. д.

Различают следующие виды изнашивания:

1. Мехнические: абразивное; гидроабразивное; газообразивное; усталостное; кавитационное.

2. Молекулярно-механическое (при заедании).

3. Коррозионно-механическое: окислительное; фретинг-коррозия. В зависимости от условий работы все детали по виду изнашивания можно разбить на пять групп.

К первой группе относятся детали, для которых основным факто­ром, определяющим их долговечность, является абразивное изнаши­вание.

Ко второй (шлицевые детали, зубчатые муфты, венцы махови­ков) — детали, у которых основным фактором, лимитирующим долго­вечность, является износ вследствие пластического деформирования.

К третьей (гильзы, головки блоков цилиндров, распределительные валы, толкатели, поршни, поршневые кольца) — детали, для которых

доминирующим фактором является коррозионно-механическое или молекулярно-механическое изнашивание.

К четвертой (шатуны, пружины, болты с циклической осевой на­грузкой) — детали, долговечность которых лимитируется пределом выносливости.

К пятой (коленчатые валы, поршневые пальцы, вкладыши под­шипников, отдельные зубчатые колеса коробки передач и др.) — де­тали, у которых долговечность зависит одновременно от износостой­кости трущихся поверхностей и предела выносливости материала деталей.

Интенсивность нарастания износа деталей и изменение зазоров подвижных сопряжений в зависимости от продолжительности рабо­ты происходят в определенной закономерности (рис. 5.4).

Первый период характеризуется интенсивным нарастанием изно­са за сравнительно малый период работы — это время приработки деталей. Износ в этот период во многом зависит от шероховатости поверхности деталей, условий смазывания и нагрузки. С ростом ше­роховатости рабочей поверхности, а также с увеличением нагрузки в начальный период работы износ деталей значительно повышается.

Второй период, наибольший по протяженности, соответствует нормальной работе деталей и сопряжений. За время нормальной экс­плуатации износ деталей увеличивается на сравнительно небольшую величину, часто называемую естественным износом. Интенсивность изнашивания при этом во многом зависит от условий эксплуатации, а также от своевременности и качества проводимого технического обслуживания.

Третий период характеризуется интенсивным нарастанием износа деталей вследствие увеличивающихся зазоров в сопряжениях.

Механические повреждения вызываются ударным воздействием, перенапряжением, концентрацией местных нагрузок.

К ним относятся: трещины; пробоины; риски и задиры; выкрашивание; разрушение; изгибы; вмятины; скручивание и др.

Химико-тепловые повреждения возникают в результате одновре­менного воздействия нескольких физических и/или химических фак­торов.

К ним относятся: коробление; коррозия; раковины; нагар; накипь; электроэрозионное разрушение; изменение намагниченности и др.

Неисправности деталей называются дефектами. Различают дефекты:

а) по вероятности появления: закономерные; случайные;

б) связям с другими дефектами: независимые; зависимые;

в) возможности устранения: устраняемые; неустраняемые;

г) виду: нарушения целости; несоответствие формы; несоответ­ствие размеров; отклонение качества поверхности;

д) причине возникновения: конструкционные; производственные; эксплуатационные.

Вероятность появления дефектов количественно оценивается на основании обработки статистических материалов и характеризуется коэффициентами повторяемости дефектов.

Коэффициент повторяемости дефекта определяют из выражения

где n_д — число деталей с данным дефектом из обшего количества продефектованных; n_в — общее число продефектованных ремонтопри­годных деталей.