КРИТЕРИИ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ

Глава 3. ОЦЕНКА СТАРЕНИЯ МАШИН

3.1. ОБЛАСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА СТАРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Любой процесс старения возникает и развивается лишь при определенных внешних условиях. Для оценки возможных видов поврежденияма­териалов деталей машин необходимо установить область существования процесса старения и в первую очередь условие его возникновения. Для возникновения этого процесса обычно должен быть превзойден определенный уровень нагрузок, скоростей, температур или других параметров, опреде­ляющих его протекание. Этот начальный уровень или порог чувствительности обычно важно знать для быстротекущих процессов старения, когда после возникновения процесса идет его интенсивное лавинообразное развитие. Часто порог чувствительности связывают с некоторым знергетическим уровнем, который определяет начало данного процесса. Типичными приме­рами наличия энергетического барьера, начиная с которого может идти про­цесс, являются схватывание металлов и развитие трещины при хрупком раз­рушении.

Согласно современным взглядам на энергетический баланс, основное влияние на развитие трещины оказывает работа W_n, идущая на пластиче­скую деформацию при распространении трещины, и критическое напряже­ние, при котором происходит переход развития трещины в неустойчивое со­стояние, можно определить по формуле:

,

где s - критическое напряжение, Е - модуль упругости,  - длина трещины, W_n - работа пластической деформации, W_н - энергия поверхностного натя­жения трещины.

Для процессов, развитие которых происходит монотонно, необходимо определить область их существования и экстремальные значения внешних условий, при которых сохраняются данные закономерности процессов. Например, при износе поверхностей в зависимости от смазки и скорости отно­сительного скольжения, а также от давления, состава окружающей среды и других факторов будут возникать различные виды износа.

На рис. 3.1 представлена схема изменения вида износа металлов и сплавов в зависимости от скорости относительного скольжения U.Как видно из графика, при малых (участок I) и при больших (участок III) скоростях скольжения при сухом трении возникают недопустимые виды износа с высокой интенсивностью процесса, т.е. имеются критические значения внешних  условий, в данном случае U_кр1 и U_кр2, которые характеризуют возникновение процессов старения, должны быть определены границы их применения, т.е. области существования данных процессов.

Оценивая эти области, необходимо также иметь в виду, что в одних и тех же объемах материала или на поверхности могут одновременно протекать различные процессы старения.

На выходные параметры машины оказывают влияние все действую­щие процессы старения, характеризующиеся следующими основными вида­ми их взаимодействия.

1. Одновременно протекающие процессы не оказывают взаимного
влияния и вызывают изменение различных выходных параметров независимо друг от друга.                       

2. Одновременно протекающие процессы не оказывают взаимного
влияния, но их действия на выходной параметр суммируются.

3. Одновременно протекающие процессы взаимодействуют и образуют
новый более сложный процесс (наиболее характерный случай).

При некоторых взаимодействиях имеет место ведущий вид процесса, когда его особенности оказывают основное влияние на выходные парамет­ры. В этом случае описание этого процесса упрощается. Однако для многих процессов старения характерно именно одновременное действие деформа­ционных, тепловых, химических и других процессов, приводящих к возник­новению сложной физико-химической картины изменения начальных свойств и состояния материалов и всей машины.

Внешним проявлением какого-либо процесса старения является повреждение всей детали или ее поверхности. Простая констатация наличия того или иного повреждения не позволяет проследить ход процесса старения и дать прогноз о времени отказа детали или тем более машины.

Численная оценка величины повреждения детали может производить­ся двумя методами.

При первом методе определяются численные критерии для непосредственного измерения величины повреждения деталей, например, линейный или весовой износ, величина деформации и т.д. Однако во многих случаях, особенно при локальных видах повреждения, бывает трудно оценить степень повреждения.

При втором методе о повреждении судят по изменению выходных параметров машины. Такой метод, хотя и находит широкое применение и час­то обладает несомненными достоинствами, в общем случае не желателен, так как между степенью повреждения и данными выходных параметров имеется своя функциональная или стохастическая зависимость, которая ис­кажает информацию о ходе процесса старения.

3.2. ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ МАШИНЫ

Предельное состояние характеризует выход машины из области работоспособности. Это относится как к машине в целом, так и к ее узлам, дета­лям и элементам.

Требования к машине с точки зрения точности функционирования, обеспечения технических характеристик, безопасности эксплуатации, влияния на окружающую среду, эффективности работы и др. оговариваются, как правило, в технических условиях.

При достижении предельного состояния дальнейшая эксплуатация машины должна быть прекращена, так как возникает потребность в ремонте или техническом обслуживании.

Предельно допустимое состояние может быть установлено как для степени повреждения машины (U_max), так и выходного параметра (X_max). Хо­тя X и U связаны функциональной зависимостью, оценка предельного зна­чения для каждого из этих показателей имеет свой смысл.

Установление X_max является основным, так как именно изменение выходного параметра определяет область работоспособности машины. Выходной параметр легче контролировать, и проверка условия работоспособности X<Х_max не представляет обычно принципиальных трудностей при эксплуатации машины.

Поскольку изменение выходных параметров машины является следствием повреждения отдельных элементов, для восстановления работоспособности машины надо решать вопрос, допустима ли степень повреждения отдельных элементов и какие из них требуют ремонта или замены. Поэтому наряду с назначением Х_max необходимо установить U_maxдля повреждений, которые участвуют в формировании выходного параметра.

При этом могут быть три основных случая взаимосвязи Х_max и U_max:

- выходной параметр определяет (в основном) один из видов повреж­дения Х_max=Ku_max;

- выходной параметр определяется суммарным повреждением элемен­тов с учетом их влияния через некоторое передаточное отношение К:

;

- выходной параметр связан сложной функциональной зависимостью с предельными повреждениями элементов .

Таким образом, предельные состояния по степени повреждения (U_max) должны назначаться, исходя из допустимых отклонений выходного параметра Х_max, и учитывать зависимость между X и показателями степени повреждения элементов машины.

Основным критерием предельного состояния машины является то экстремальное значение параметра, которое допускается техническими условиями. Однако сам ход процесса изменения выходных параметров и наличие зон их резкого возрастания также служит критерием для установления максимально допустимых значений Х_max.

Возможны три основные группы критериев (табл. 3.1):

1 . В результате износа или других повреждений происходит скачкообразное изменение состояния машины и она перестает функционировать. В этом случае, как правило, трудно судить по выходному параметру о близо­сти к предельному состоянию и более целесообразно регламентировать максимально допустимую степень повреждения U_max.

2. В результате процесса повреждения имеется зона интенсивного из­менения выходных параметров машины - рост вибраций, температуры, шума, падение точности, производительности и т.п. При этом, даже если эти
параметры еще находятся в допустимых пределах, можно установить значе­ние X_max, соответствующее началу интенсификации процесса потери работоспособности.

3.  Основной случай назначения Х_max - когда процесс повреждений не
имеет экстремальных зон и выходные параметры определяются установленными на изделие техническими условиями.

 

 

Таблица 3.1.

КРИТЕРИИ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ

 

Вид повреждения	1-я группа	2-я группа	3-я группа
Потеря жесткости и прочности	Хрупкое разрушение детали	Усталостное разрушение детали	Деформация в пределах упругости
Типовые деформации	Возникновение тепловых трещин	Деформация с возникновением пластических зон	Деформация без изменения состояния материала
Коррозия	Сквозная коррозия емкости	Потеря несущей способности детали	Окисление поверхности
Износ	Поломка в результате износа	Изменение вида изнашивания	Искажение формы поверхности трения

 

При установлении номенклатуры регламентируемых параметров должны учитываться следующие факторы:

- эффективность работы машины, определяемая ее назначением;

- опасность дальнейшей эксплуатации машины, что связано с опасностью нарушения нормальной эксплуатации и тяжелыми последствиями разрушения;

- вредные влияния на окружающую среду;

- трудоемкость восстановления.

При этом для современных машин часто целесообразно устанавливать нормативы не только на предельные состояния по выходным параметрам, но и по степени повреждения отдельных элементов машины, определяющих изменение ее характеристик.

Так, устанавливаются предельные состояния по износу, по степени деформации, по величине возникающих трещин и другим повреждениям, при достижении которых узел и машина требуют капитального ремонта. Например, для горных машин в узлах вал-подшипник скольжения для диаметра вала 80-120 мм, работающих при частоте менее 1000 об/мин и при удельной нагрузке до 30 кгс/см², допустимый зазор составляет 0,25 мм; износ футеровки дробилок не должен превышать 30 % от первоначальной ее толщины; предельный допустимый износ зубьев шестерен по толщине (в процентах от их номинальных размеров по начальной окружности) составляет 7-10 для ответственных передач (при подъеме грузов), а для тяжелых условий работы передачи (экскаваторы, погрузочные машины, дробилки и т.п.) могут быть еще уменьшены на 20-25 %.

3.3. ОЦЕНКА СТЕПЕНИ СТАРЕНИЯ МАШИН

Как сказано выше, каждая машина характеризуется определенными выходными параметрами, значения которых оговариваются в нормативных документах (ГОСТ, ОСТ, ТУ и ТП). Машина будет работоспособна до тех пор, пока она способна выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, допустимых нормативно-технической документацией.

Таким образом, работоспособность машины связана не только со способностью работать, т.е. выполнять необходимые функции, но и с тем, чтобы при этом выходные параметры изделия находились в допустимых преде­лах.

Отсюда вытекают три возможных состояния машины:

1 - машина работает, выполняет все функции с нужными параметрами;

2 - машина работает, но некоторые функции или параметры отклоняются или находятся на пределе (точность, производительность, расход топ­лива, вибрации, шум и т.п.);

3 - машина не работает или работает с опасностью для окружающих,
или с недопустимыми выходными параметрами.

Каждая машина постепенно проходит все эти три этапа, ухудшая свою работу с течением времени. Это ухудшение ее работы и является результатом старения машины.

Возникает необходимость в оценке степени старения машины, чтобы можно было своевременно предусмотреть проведение профилактических мероприятий, не доводя машину до третьего этапа и больших экономических потерь или даже человеческих жертв.

Нужно уметь оценить степень старения машины на втором этапе, т. к. на первом этапе этого не требуется, а на третьем этапе уже поздно - машину нужно немедленно останавливать.

Нарушение в процессе работы машины своих функций или отклонение выходных параметров от допустимых носит название отказ - событие, нарушающее работоспособность машины.

Совершенно безотказных машин, особенно горных, работающих в очень тяжелых условиях, не существует.

Поэтому одним из показателей состояния машины является поток отказов, а единицей его изменения - параметр потока отказов - среднее число отказов (математическое ожидание числа отказов) за единицу времени t, взятое для достаточно малого промежутка времени Dt:

.

На рис. 3.2 показана зависимость частоты отказов машины в различные периоды ее эксплуатации. Третий период соответствует периоду интенсивных отказов, что является результатом старения машины.

Определив поток отка­зов на этом этапе для раз­личного времени t (для дос­таточно малого Dt), получим показатель состояния маши­ны на различных участках этого этапа (t+Dt; t+2Dt и т.д.). Имея ограничение в технических условиях по ко­личеству отказов в единицу времени (или по минимальной наработке на отказ), можно установить время Т₀, при котором еще обеспечи­вается условие:

w(T₀)< w_зад(T).

Время Т₀=Т_ст и будет являться показателем старения данной машины, которое можно назвать сро­ком службы до восстановления ее работоспособности (до соответствующего ремонта).

Эксплуатация машин может производиться по двум способам:

- ма­шина работает до отказа (нарушения работоспособности ее);

-  машина ра­ботает в течение назначенного периода.

В первом случае при эксплуатации машины до отказа (рис.3.3) периоды до профилактических или ремонтных мероприятий Т₀ неодинаковы и являются случайными величинами Т₀₁, Т₀₂, . . ., Т_0i. Для исключения нежелательных последствий отказа часто назначают условное предельно допустимое значение параметра Х_ус<Х_max, достижение которого параметром X фиксируется как отказ.

Длительность периода Т₀ в среднем определяется временем достижения математическим ожиданием М[x(t)] значения Х_ус, а длительность конкретного периода T_0i - временем достижения данной реализацией предельного значения параметра. По мере эксплуатации машины среднее значение периода T_0i уменьшается.

Основной недостаток эксплуатации машины с работой до отказа заключается в трудности планирования технического обслуживания из-за значительного колеба­ния фактических значений периода Т₀, в необходимости постоянного наблюдения за параметрами машины с целью выявле­ний реализации процесса X(t),в большой вероятности возникновения отказа.

Поэтому для большинства машин более распространен второй вариант эксплуатации с заранее назначенными периодами непрерывной работы до планового технического обслуживания и ремонта для восстановления ее работоспособности. В этом случае (рис.3.4) работоспособность машины по данному параметру характеризуется полем его рассеивания в пределах каж­дого периода Т₀. С течением времени вероятность выхода параметра за пределы допуска возрастает, но данный метод имеет то неоспоримое преимущество, что он дает возможность заранее назначить равные промежутки времени для проведения мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту.

Общий срок службы будет определяться периодом, в течение которого X£Х_max, в рассматриваемой схеме Т=3Т₀, так как в следующем периоде работы слишком велика вероятность отказа машины F_от, при котором заданный параметр выйдет за допустимый, т.е. Х(t)>Х_max. Этот срок службы может измеряться в конкретных физических единицах (час, км, м³ и т.п.) и носит название ресурс - это может быть одним из показателей старения машины. Этот показатель характеризует старение машины до капитального ремонта. Иногда для оценки старения машины может применяться гамма-процентный ресурс - календарная продолжительность эксплуатации, в тече­ние которой машина не достигнет предельного состояния с заданной веро­ятностью g (в процентах) - рис.3.5. Долговечность всей машины должна характеризовать ее способность выполнять свои рабочие функции с минимальными потерями рабочего времени на ремонт, наладку, регулировку и т.п.

Поэтому одним из показате­лей старения машины является коэффициент технического использования К_ти, определенный за весь период эксплуатации (иногда назы­вают его коэффициентом долго­вечности):

,

где Т_раб - время работы машины;

   – продолжи­тельность i-го ремонта машины.

К показателям старения отно­сятся также показатели ремонтопригодности и сохраняемости.

Ремонтопригодность - свойство машины, заключающееся в ее приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов. В вышеприведенной формуле ремонтопригодность определяет затраты вре­мени åТ_рем.

Время простоя из-за ремонта одной i-й детали или узла машины

,

где Т_i - срок службы до отказа i-й детали (узла) машины;

    t_i - продолжительность (трудоемкость) ремонта i-й детали, включая разборку, сборку и выверку.

Отношение Т_раб/Т_i показывает, сколько раз в течение периода, равного Т_раб ремонтировалась данная деталь. Подставляя значение Т_рем в формулу коэффициента технического использования, получим:

 

.

При периодических ремонтах, когда одновременно ремонтируется группа деталей, под Т_i понимается время до очередного ремонта, а под t_i -его трудоемкость.

Как видно из этой формулы, К_ти зависит от суммы, которая называется относительными ремонтными потерями Z_рем:

Относительные потери Z_рем могут применяться в качестве самостоятельного критерия, заменяющего К_ти при оценке долговечности машины.

Показателем сохраняемости машины - обеспечение заданных функций машины после длительного хранения и транспортировок - является гамма-процентный срок сохраняемости, который будет достигнут машиной с заданной вероятностью g. Если функция плотности срока сохраняе­мости f(t_х), то гамма-процентный срок сохраняемости t_х определится в веро­ятностной форме по выражению:

,

а в статистической - ,

где N - число взятых на испытание машин,

   N_t - число машин, сохранивших параметры ко времени t.

В процессе эксплуатации машины изменяется стоимость продукции, получаемой данной машиной (1м³ полезных ископаемых, 1м перегруженной или перевезенной породы, 1м скважины и т.п.),т.к. она зави­сит не только от цены машины, но и от затрат на эксплуатацию машины. По мере старения машины стоимость продукции будет возрастать (рис.3.6, правая ветвь).

Если в данной отрасли установлена максимально до­пустимая стоимость продук­ции С_max, то при достижении определенного времени Т_mах дальнейшая эксплуатация машины будет нецелесооб­разна. Время Т_mах и будет пределом допустимого старе­ния машины.

Предлагаемый [1] пока­затель "годность'" (обобщен­ная характеристика) машины - ее способность к потенциаль­ной возможности выполнять свои функции или заданные процессы в пределах допус­тимых отклонений по качеству и экономичности в течение оптимального срока его службы в производстве - не проясняет явления "старение машин". Это понятие сходно с понятием "здоровье, здоров" человека. Но всегда мо­жет быть состояние "чуть-чуть нездоров", "нездоровится" и т.п.

Кроме того, предлагаемый показатель "годность" не имеет критерия годности машины, а определяется лишь величиной стоимости машины и ее отдельных элементов и стоимостью ее эксплуатации, что не в полной мере раскрывает понятие старения машины.

3.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА СТАРЕНИЯ МАШИН

Практика эксплуатации машин дает возможность выделить несколько групп показателей старения машин.

1. Срок эксплуатации машины до капитального ремонта, при котором ее выходные параметры не выходят за нормируемые показатели, установленные для данной машины. Этот показатель носит название “допустимый срок службы”, или ресурс Т_r. Дополнительными показателями степени старения могут служить поток отказов w(t) и коэффициент технического использования К_ти.

Ресурс определяется как общая наработка в часах до капитального ре­монта:

,

где t_i - наработка между отказами, час;

  n - количество рабочих периодов работы между ремонтами;

  Т₀ - наработка на отказ.

Выражения (формулы) для определения w(t) и К_ти приведены в предыдущем параграфе. Как правило, эти показатели можно получить только в процессе эксплуатации машины. Они трудно прогнозируются.

2. Общий срок службы машины до ее списания с возможными не­сколькими капитальными ремонтами, после чего восстановление машины
становится невозможным или нецелесообразным. Этот срок носит название
”общий срок службы машины”. Он может быть определен на основе статистических данных как средний для определенного типа машин, работающих
в конкретных условиях:

,

где t_i - срок службы до списания 1-й, 2-й, ..., i-й машины;

   n - число наблюдаемых машин.

При этом степень старения покажет коэффициент технического использования К_ти, который неуклонно снижается за весь срок службы машины (рис.3.7).

3. При экономической оценке процесса старения учитываются затраты
на изготовление машины С_и и эксплуатацию С_э, которые в сумме должны
быть наименьшими: С=(С_и+С_э) ® min.Срок службы машины, при котором
соблюдается это условие, носит название "оптимальный срок службы".

В некоторых случаях для практических расчетов выводятся конкретные формулы. Так, оптимальный срок службы карьерных экскаваторов средней мощности (объем ковша 3-5 м³) может быть определен по формуле

,

где П_сг - средняя годовая производительность экскаватора, млн.м³;

А и Б - соответственно первоначальная и ликвидационная стоимость экскаватора, тыс .руб.; a - коэффициент, характеризующий интенсивность нарастания удельных затрат на техническое обслуживание и ремонт экскаватора (a=0,6).

Более точно оптимальный срок службы можно определить с учетом себестоимости единицы продукции, получаемой при эксплуатации машины. С увеличением срока эксплуатации машины эксплуатационные расходы растут, а производительность снижается (см. рис. 3.7). Если определить удельные затраты (на 1 т или м³ единицы продукции машины), то можно построить график, по кото­рому можно установить оптималь­ный срок службы машины, соот­ветствующий, суммарным минимальным затратам при ее эксплуа­тации (рис. 3.8).

4.Существует метод опреде­ления предельного срока старения машины по моральному износу - из условия ежегодного повышения производительности труда: по мере увеличения производительности среднее количество необходимого труда для воспроизводства продук­та с течением времени уменьшается. При этом может быть использована следующая формула:

,

где П_н – нормативная производительность проектируемой машины;

П₀ – существующая производительность ее прототипа;

К₀ – планируемый прирост производительности труда в данной отрасли;

m - коэффициент, учитывающий желательное продление общего срока службы машины при замене ее новым экземпляром. 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 3

1.  Каковы критерии определения протекания процесса старения?

2. Можно ли оценивать старение по ведущему виду процесса повреж­дения?

3. Какими документами регламентируется предельное состояние ма­шины?

4. Каковы критерии предельного состояния машины?

5. Назовите три возможных состояния машины с точки зрения ее работоспособности.

6. На каком этапе необходимо определять степень старения машины?

7. Какими показателями можно оценить степень старения машины?

8. Какими показателями определяется предел старения машин?

---

Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 1498; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!