2. Отказы элементов привода

2.1 Классификация отказов

Необходимо различать термины «отказ» и повреждение:

Повреждение – нарушение исправного состояния привода или его составных частей в следствии воздействия внешних факторов, превышающих уровень, установленные НТД (могут быть существенные и несущественные).

Причины возникновения отказа:

1. В следствии грубых ошибок, связанных с нарушением норм проектирования, с несоблюдением норм НТД (ГОСТ, ОСТ, ЕСКД,…), технологии, эксплуатации.

2. Вызванные скрытыми дефектами и повреждениями. (выявление требует специальных исследований).

3. Вызванные внешними воздействиями (динамические нагрузки, температура, вибрация…), значения которых больше расчетных.

4. Вызванные естественным старением и износом, изменением свойств рабочих элементов в процессе эксплуатации.

Отказы классифицируют по причинам возникновения, по характеру проявления, по возможности прогнозирования.

Конструкционный отказ – обусловлен ошибками при проектировании. (обычно становится систематическим, но может быть устранен).

Производственный отказ – возникает из-за нагружения установленного процесса изготовления и ремонта.

Эксплуатационный отказ – является следствием нарушения правил и условий эксплуатации, а также естественного изнашивания сопряженных деталей, ошибок операторов и т.п.

Деление на внезапные и постепенные отказы определяется скоростью изменения обобщенного параметра «у» (давление, расход, частота вращения…)

1. внезапный отказ

2. постепенный

Вообще-то , деление условное

Постепенные отказы – скорость изменения «у» имеет конечное значение. Чем больше время, тем вероятность отказа больше. Следствие необратимых изменений свойств привода, вызванные старением, износом, накоплением усталостных напряжений.

Внезапные отказы – характеризуются скачкообразным изменением «у», V не зависит от . Из-за трещин, неправильной эксплуатации.

Деление отказов на П. и В. обычно связанно с возможностью контроля процесса (диагностика). Постепенные отказы, которые можно контролировать и прогнозировать, называются прогнозируемыми.

Время экспозиции отказа , где - время окончательного отказа, - быстродействие системы контроля. При - отказ прогнозируемый, при - непрогнозируемый (внезапный).

2.2. Факторы определяющие надежность

Появление отказов связанно с внешними и внутренними воздействиями, которые нарушают энергетическое равновесие и вызывают процессы 3-х видов:

быстропротекающие, средней скорости и меделнно протекающие.

Быстропротекающие – доли секунд (вибрации, резонанс, пульсация давления,…)

Процессы средней скорости – за время рабочего цикла. (приводят к постепенным отказам).

Меделнно протекающие – за время всего периода эксплуатации ( изнашивание, старение, усталость)

При создании и эксплуатации привода на его надежность действуют различные факторы, обусловленные объективными и субъективными причинами.

Факторы надежности

1. Объектиные

   1. Определяемые окружающей средой

а) температура

б) давление

в) влажность

г) запыленность

д) плесень, грибки

2. Эксплуатационные

а) механические (нагрузки, вибрация и т.п.)

б) гидравлические (температура, газонасыщенность, вязкость)

в) временные (старение, износ)

2. Субъективные

1. Конструктивные

а) схема и режим работы

б) материалы и допуски

в) коэффициенты запаса

2. Эксплуатационные

а) условия хранения

б) квалификация персонала

в) ТО

3. Производственные

а) технология

б) выходной приемный контроль

в) техническая документация

По физической природе все факторы можно разделить на: климатические, гидравлические и механические.

Климатические – температура, влажность, солнечная радиация, запыленность.

Температура: при большой температуре – механические свойства большинства материалов ухудшаются, уменьшается модуль упругости, снижается предел прочности. Стареют пластмасса и резина. Вязкость жидкостей уменьшается и появляются утечки.

При низкой температуре – снижается механическая прочность материалов, уменьшается пластичность, повышается хрупкость. Вязкость жидкостей растет следовательно увеличиваются потери на трение.

Влажность – гигроскопичность материалов следовательно электрохимическая коррозия, изменение механических и электрических свойств проводников и изоляции.

Запыленность – пыль ускоряет изнашивание трущихся пар, загрязняет рабочую жидкость, потеря глянца покрытий и расстрескивание, а следовательно и коррозия.

Гидравлические (для МХГ): чистота, температура, газонасыщенность (содержание воздуха) и старение рабочей жидкости.

Чистота – на работоспособность привода влияет не столько наличие примесей, сколько их твердость и размеры.

Интенсивное изнашивание, особенно распределительных устройств. Для промышленного привода жидкость считается чистой, если загрязнения по массе < 0,005%. Тонкость фильтрации: 10 – 65 мкм.

Температура – изменяется в результате выделения теплоты при перетекании жидкости через малые зазоры. Для обеспечения высокого КПД температура жидкости должна быть оптимальной, обеспечивающей минимальные суммарные потери.

Содержание воздуха: определяет ее упругость (сжимаемость) и смазывающие свойства.

Жидкость в гидросистеме проектируют всегда не однофазна. В ней содержатся газо-воздушная составляющая которая может быть как в растворенном (фаза Р), так и в нерастворенном (фаза Г) виде.

Основные показатели, характеристики состояния рабочей жидкости, является газо-содержание (фаза Г) и дисперсионный состав газа. Согласно закону Генри количество растворенного газа в жидкости пропорционально давлению на поверхности контакта:

где - объем растворенного газа; - коэффициент растворимости газа; V – объем растворителя (жидкости); р – давление в системе; - давление приведенное к начальному состоянию.

зависит от типа рабочей жидкости и ее физико-химических свойств.

Наличие воздуха в жидкости: ухудшает динамические характеристики привода (устойчивость, точность работы), не заполнение рабочих объемов насосов, снижение КПД, интенсифицирует кавитацию, колебания давления.

Старение рабочей жидкости – это изменение ее состава и свойств (вязкости, антикоррозийной и смазывающей способности), обусловленное деструкцией молекул под влиянием высоких давлений и процессов окисления и полимеризации. Срок службы масла зависит от условий эксплуатации привода и определяется давлением, температурой, газонасышенностью и длительностью контакта с катализирующими материалами (медь, олово…), загрязненности.

2. периода: окисление и накапливание механических примесей; стабилизация; характеристика резко ухудшается.

Механические факторы. В следствии силового взаимодействия приводов с окружающей средой возникают удары, нагрузки и вибрация.

Удар характеризуется преобразованием кинетической энергии внешних сил в потенциальную энергию деформирующихся элементов конструкций и обратное преобразование упругой деформации в кинетическую энергию следовательно появляются трещины и изломы.

Нагрузки – бывают позиционные и инерционные. Позиционная нагрузка влияет в основном на статические характеристики ( изменение запасов усталости и быстродействия привода). Инерционная нагрузка влияет на динамические свойства привода.

Вибрация – это механические колебания в агрегатах привода, не являющееся неотъемлемым условием выполнения им своих функций, а возникающие в следствии несовершенства конструкции, дефектов и особых условий эксплуатации. Основной источник вибрации – ротор (статически и динамически не уравновешен следовательно вибрация).

2.4. Модели отказов.

В процессе эксплуатации привода на него действуют различные возмущения, вызывающие отклонения основных технических параметров и характеристик от номинального значения и потерю работоспособности привода.

Для создания методов расчета надежности привода применяют различные модели отказов, которые базируются на физических представлениях возникновения и развития процессов, приводящих к отказам. При учитываются причинно-следственные связи случайных явлений.

В зависимости от характера процесса и причинно=следственных связей проявления различных отказов, все они качественно описываются следующими моделями: параметрической, изнашивания, «слабого» звена и усталости.

Параметрическая модель

Состояние привода, функционирующего в условиях случайных воздействий, можно полностью характеризовать совокупностью физических параметров или вектором параметров состояния: принятого в качеств определяющего с точки зрения выполнения приводом своего назначения.

Допустимые пределы изменения определенных параметров снизу и сверху:

,

Выход любого параметра за соответствующие пределы повлечет за собой отказ. За время t вероятность безотказной работы:

Все функции в векторе Х(t) зависимы так как отражают работу одного и того же элемента.

В общем случае задача расчета параметрической безотказности сводится к отысканию вероятности того, что ни одно из Xi(t) не выйдет за допустимые пределы. Для этого необходимо знать законы совместных распределений. Xi(t), Xнi(t), Xвi(t), но при этом расчет сводится к многомерным интегралам следовательно принимают упрощенные вычисления.

Выбирают 1 или 2 параметра, которые называются «обобщенными», так как характеризуют совокупность свойств и характеристики привода.

Расчетное время tр выбираем в наиболее сложный режим работы, т.е. когда вероятность отказа максимальна.

При этих допущениях задача сводится к вычислению вероятности:

На рисунке – графическая интерпретация задачи для случая, когда заданны плотности вероятности . Заштрихованная площадь соответствующей вероятности параметра отказа.

Модель изнашивания

В результате взаимодействия сопрягаемых поверхностей под влиянием внешних нагрузок в процессе работы привода происходит изнашивание деталей – процесс постепенного изменения их геометрических размеров и формы при трении, характеризуемый отделением частиц от поверхности материала и остаточной деформацией.

При контакте 2-х сопрягаемых поверхностей и их относительном перемещении в поверхностных слоях возникают механические и молекулярные взаимодействия, которые в конечном итоге приводят к разрушению микро…… поверхностей, т.е. к изнашиванию. И всегда связано с относительным перемещением и может иметь место при трении скольжения, качения и качения с проскальзованием.

На характеристику трения влияют: качество рабочих поверхностей и физические свойства материала сопрягаемых пар; качество рабочих поверхностей характеризуется параметрами шерховатости; физические свойства поверхностного слоя отличаются от свойств основного металла (пленка окислов).

В зависимости от наличия и сплошности смазывающего материала между контактирующими поверхностями. Различают трение без смазки материалов и со смазкой материалов. С жидкой и граничной смазкой.

а) при жидкой смазке

б) при граничной смазке

в) без смазочного материала.

Рис. Изменение давления на выступы при трении

Трение без смазывающего материала всегда сопровождается упругопластичными деформациями, интенсивным тепловыделением, возникновением вибрации и шума. Характерно механическое и молекулярное взаимодействие. Выступы и шероховатости взаимно внедряются и разрушаются. Vизн.=max.

Граничная смазка – смазка при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении определяется в основном свойствами смазочного материала. Имеются более нагруженные зоны следовательно при движении происходят колебания напряжений на каждом выступе и создаются условия для их усталостного разрушения.

При жидкой смазке – на каждый участок поверхности действует постоянное давление, т.е. статическая нагрузка. Она не в состоянии разрушить микро выступы.

Явления сопровождающие износ:

1. Возникновение высоких локальных температур (могут превышать температуру плавления и фазового перехода => расплавление). Сочетание механических и температурных напряжений может вызвать микротрещины и отделение частиц металла.

2. Химико-термические процессы, такие, как образование пленок окислов, охрупчивание поверхностного слоя следовательно различие свойств основного металла и поверхности.

3. Смазывание, кроме положительного эффекта может оказать расклинивающие действие, способствующие разрушению поверхности.

4. Перенос материала с одной поверхности на другую. (ex: CuFe=> повышение износостойкости пар трения).

Виды изнашивания: механическое, при заедании и коррозионно-механическое.

1. Механическое (в результате механического взаимодействия материалов поверхностей).

А) Абразивное – режущие или царапающие действие твердых частиц на материал, находящихся в свободном или закрепленном состоянии.

Б) Усталостное – механическое изнашивание в результате разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя.

2. Изнашивание при заедании – изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности на другую и воздействия возникающих неровностей на сопряженную поверхность.

3. Коррозионно-механическое – при трении материалов, вступающих в химическое взаимодействие со средой.

А) Окислительное – при наличие на поверхностях трения защитных пленок, образующихся в результате взаимодействия металла с кислородом, которые обладают малой прочностью и разрушаются.

Б) Изнашивание при фретинг-коррозии – при трении скольжения с относительными колебаниями контактирующих поверхностей в результате вибрации или периодических деформаций.

Для прогнозирования надежности привода, который в основном состоит из элементов с сопрягаемыми парами трения, необходимо знать основные закономерности изнашивания.

Показатели изнашивания:

• линейный износ h, мкм (перпендикулярно поверхности трения).

• скорость изнашивания , мкм/ч.

• интенсивность изнашивания - износ к пути трения.

Все показатели изнашивания изменяются во времени и зависят от силовых и кинематических параметров (P,V); параметров характеризующих состав, структуру и механические свойства материалов (твердость, E); свойства поверхностного слоя (шероховатость), вида трения и смазки, внешних условий (температура, вибрация и т.д.).

Получение в явном виде зависимостей скорости или интенсивности изнашивания от перечисленных параметров является чрезвычайно сложной задачей. Поэтому часто используют эмпирические данные для определения закономерностей изнашивания.

0 а – приработка

аб – установление изнашивания

бв – аварийный период.

Модель “слабого” звена.

Деформация и разрушение деталей вызываются неблагоприятным сочетанием нагрузки и прочности. Для этого случая справедлива параметрическая модель, только за обобщенный параметр следует принимать нагрузку Q, за параметр предельного состояния – несущую способность Rн. Тогда разрушение (отказ) произойдет при выполнении условия Rн – Q>0.

Причинами разрушения могут быть внутренние изменения свойств нагруженного материала в следствии термоактивизационного процесса. Существует несколько моделей такого процесса. Наиболее разработана кинетическая модель разрушения. В соответствии с ней деформация метала определяется не только предельными нагружениями, но и термохимическим процессом, зависящим от свойств материала и температуры. Возникновение и развитие трещины в материале обусловлены разрывом межатомных связей за счет тепловых флуктуаций и диффузии … к трещинам.

Привод является системой, состоящей из большого числа идеальных элементов. В такой системе, подведенная энергия распределяется не равномерно по всему объекту, в следствии чего нагрузка на отдельные элементы разная. Кроме того, отдельные элементы имеют различные свойства и начальные условия развития трещины. Время разрушения их будет разное. В результате указанных различий некоторые элементы могут отказать при более низких значениях … энергии. Такие элементы называют «слабыми», они являются причиной откза всего объекта.

Модель «слабого звена» позволяет объяснить появление отказов наличием местных перенапряжений, вызванных не обнаруженными мелкими дефектами материала.

Модель усталости

Элементы привода в процессе эксплуатации работают в режиме нестационарного режима нагружения, когда на них действуют нагрузки, изменяющееся во времени. Установлено, что многократное напряжение вызывает разрушение элементов конструкции при напряжениях, меньших, чем при однократном нагружении. Под действием переменных напряжений происходит процесс постепенного накапливания повреждений материала, приводящий к необратимому изменению его физико-химических свойств, образованию тещин, из развитию и усталостному разрушению.

Усталостные микротрещины образуются чаще всего в местах, где имеются концентраторы напряжений.

По характеру нестационарное нагружение может быть различным. Приближенно его считают циклически симметричным и асимметричным. Цикл нагружения характеризуется максимальным , минимальным и средним нагружениями, амплитудой и коэффициентом асимметрии цикла .

Основным показателем, характеризующим сопротивление материала усталостному разрушению является предел выносливости при изгибе и при кручении.

Под пределом выносливости понимается то наибольшее напряжение цикла , которое может выдержать элемент без усталостного разрушения при заданной продолжительности работы. Пределы выносливости определяются по справочникам или по эмпирическим формулам.

Вторым критерием, характеризующем сопротивление усталости, является циклическая долговечность, т.е. число циклов нагружений N, выдерживаемых элементом до образования трещины определенной протяженности и разрушения. Зависимость N() или lgN(), называют кривой усталости и определяют в результате испытаний.

N₀ – базовое число циклов нагружения.