|
В стадии формирования находится теория долговечности, предметом которой является:
определение технически и экономически целесообразных лимитов долговечности;
разработка методов изучения эксплуатации машин (статистическая обработка эксплуатационной информации);
изучение эксплуатационных режимов и их влияния на долговечность машин, типизация средств эксплуатационных режимов;
определение степени использования машин в эксплуатации и соотношения между долговечностью и сроком службы машин;
диагностика причин разрушения;
выявление деталей, лимитирующих долговечность, изучение влияния долговечности деталей на долговечность машин в целом;
разработка методов стендовых и полевых испытаний машин, узлов и деталей на долговечность, прогноз эксплуатационной долговечности машины на основании стендовых испытаний;
разработка объективных показателей долговечности выпускаемых машин.
Многочисленность и разнородность факторов, влияющих на долговечность (технический уровень эксплуатации, колебания эксплуатационных режимов, качество изготовления и т. д.), неопределенность многих факторов (рассеивание характеристик прочности материалов, влияние региональных и климатических условий и т. п.) заставляют при определении долговечности прибегать к методам теории вероятности и математической статистики. Вследствие лого теория не дает однозначного ответа на вопрос об ожидаемой долговечности, ограничиваясь установлением функциональных зависимостей вероятности разрушения от продолжительности и режимов эксплуатации. Теория может только установить, что вероятная продолжительность работы машины на данном режиме будет равна, скажем, 8, 12 и 18 тыс. ч при вероятности неразрушения соответственно 90, 80 и 60%, или установить вероятное число остающихся в эксплуатации машин после определенных периодов работы.
Должны быть еще учтены вид и объем разрушений, т. е. установлено с известной степенью достоверности, подвергаются ли разрушению жизненно важные или второстепенные детали и узлы, сохраняется ли ремонтопригодность машин, каковы вероятный объем и стоимость ремонтов? С этих позиций долговечность можно определить как вероятную продолжительность работы машины на регламентированном режиме, при которой возможный выход машины из строя не больше заданного условного предела (например, 10%) при сохранении ремонтопригодности и вероятной стоимости ремонта, не превышающей определенного значения, выраженного, допустим, в процентах от стоимости машины.
Разработка нормативов долговечности представляет сложную задачу и требует сбора и обработки большого объема информации.
В качестве общего замечания укажем, что изучение долговечности машин было бы легче, если их в виде обязательной меры оборудовать работомера-м и, т. е. суммарными счетчиками отработанных часов или числа проделанных операций (подобно счетчикам километража, устанавливаемым на автомобилях). Эту меру следовало бы сделать обязательной для всех машин новых выпусков.
Выводы, основанные на изучении машин, находящихся в эксплуатации, относятся к машинам выпуска прошлых лет и всегда запаздывают, будучи по существу неприло-жимы к машинам новых выпусков, подвергаемых конструктивным и технологическим усовершенствованиям. Прогноз долговечности новых машин, являющийся насущной практической задачей, приходится базировать на стендовых испытаниях машин (или вводимых в них новых узлов).
Таким образом, одним из важнейших разделов теории долговечности является разработка методов ускоренных испытаний и корреляция результатов испытаний с эксплуатационными условиями.
Теория долговечности, строящая выводы на статистических данных, в сущности приложима к изделиям массового производства и в гораздо меньшей степени — к изделиям мелкосерийного и тем более единичного выпуска. В описанной выше трактовке теория долговечности исходит из феноменологических позиций, учитывая данные достигнутой долговечности. Гораздо большее значение имеет разработка методов повышения долговечности. Здесь на первый план выдвигается задача изучения физических закономерностей разрушения, износа и повреждения деталей (в зависимости от вида нагружения, свойств материала, состояния поверхностей и т. д.). Задачи эти настолько дифференцированны и специфичны, что уместить их в рам ах общей теории долговечности едва ли возможно. Они решаются методами теории прочности, теории износа, а главным образом целенаправленной конструкторской и технологической работой над повышением долговечности.
Средства повышения долговечности. Основные факторы, лимитирующие надежность машин, следующие: поломки деталей; износ трущихся поверхностей; повреждения поверхностей в результате действия контактных напряжений, наклепа и коррозии; пластические деформации деталей, вызываемые местным или общим переходом напряжений за предел текучести или (при повышенных температурах) ползучестью.
Прочность в большинстве случаев не является непреодолимым лимитом. В машинах общего назначения возможно полное устранение поломок. При существующем в настоящее время ассортименте машиностроительных материалов, при существующих методах изготовления, при современном состоянии науки о прочности в этом классе машин нет деталей, которым нельзя было бы придать практически неограниченную долговечность.
В случае машин напряженного класса, вроде транспортных, задача сложнее. Требования габаритных размеров и массы заставляют повышать расчетные напряжения, вследствие чего вероятность поломок увеличивается. Однако непрерывное совершенствование упрочняющей технологии и уточнение методов расчета позволяют и в данном случае значительно повысить прочность деталей, а следовательно, и долговечность машины в целом.
Многие факторы случайности можно свести к минимуму: производственные (колебания механических характеристик материала, технологические дефекты) — тщательным контролем изделий на всех этапах изготовления; эксплуатационные (перегрузки, неправильное обращение с машиной) -чисто конструктивными мерами (введением систем зашиты, предохранителей, блокировок).
В наихудшем положении находятся тепловые машины, долговечность которых зависит в первую очередь от стойкости деталей, работающих при высоких температурах.
Прочность материалов резко снижается с увеличением температуры. Кроме того, при повышенных температурах возникает явление ползучести (пластическое течение материала под действием сравнительно небольших напряжений), приводящее к изменению первоначальных размеров детали и. как следствие, к утрате ее работоспособности.
Детали, работающие при высоких температурах, рассчитывают на ограниченную долговечность. Срок их службы можно только повысить конструктивными приемами (снижением уровня напряжений, рациональным охлаждением) и главным образом применением жаропрочных материалов. В последнее время для изготовления термически напряженных деталей применяют м талл ерамиче-ские (спеченные) материалы (к е р м т ы) на основе оксидов, нитридов и боридов Ti, Сг, AI, карбидов и нитридов В и Si, со связкой из металлов Ni, Со, Мо.
Практически долговечность в наибольшей степени определяется изнашиваемостью деталей. Постепенно развивающийся износ ведет к общему ухудшению показателей машины, снижению точности выполняемых ею операций, падению КПД, увеличению энергопотребления и снижению полезной отдачи. С течением времени износ может вступить в катастрофическую стадию. Прогрессирующее повреждение вызывает поломки и аварии (разрушение подшипников качения, выкрашивание зубьев зубчатых колес и т. п.).
Основной вид износа в машинах — механический, который разделяется на износ абразивный, износ при трении скольжения, износ при трении качения и контактный Некоторые детали подвержены износу химическому (коррозионному), тепловому, ка-витанионно-эрозионному. Разнообразие видов износа и различие их физико-механической природы требуют дифференцированного изучения и специальных методов предотвращения изнашиваемости.
Главными способами повышения износостойкости при механическом износе являются увеличение твердости трущихся поверхностей, подбор материалов трущихся пар, уменьшение давления на поверхностях трения, повышение качества поверхностей и правильная смазка.
Условия опыта (абразивный износ) отличаются от реальных условий работы смазанных поверхностей в машиностроительных узлах. Тем не менее они дают представление об огромном влиянии твердости на износостойкость.
Современная технология располагает эффективными средствами повышения поверхностной твердости: цементация и обработка ТВЧ (HV 500 - 600), азотирование (HV 800—1200), бериллизация (HV 1000 — 1200), диффузионное хромирование (HV 1200—1400), плазменное наплавление твердыми сплавами (HV 1400— 1600), борирование (HV 1500-1800), бороциа-нирование (HV 1800 - 2000) и др
Другое направление заключается в улучшении антифрикционных свойств поверхностей осаждением фосфатных пленок (фосфатирование), насыщением поверхностного слоя серой (сульфидирование), графитом (графитирование), дисульфидом молибдена и др. При умеренной твердости такие поверхности обладают повышенной скользкостью, малым коэффициентом трения, высокой устойчивостью против задиров, заедания и схватывания. Эти способы (особенно сульфидирование и обработка дисульфидом молибдена) увеличивают износостойкость стальных деталей в 10 — 20 раз. Применяют и сочетание обоих методов (например, сульфоцианирование, повышающее одновременно твердость и скользкость поверхностей).
Важное значение имеет правильное сочетание твердости парных поверхностей трения. При движении с малыми скоростями под высокими нагрузками целесообразно максимальное повышение твердости обеих поверхностей, а при движении с большими скоростями в присутствии смазки — сочетание твердой поверхности с мягкой, обладающей повышенными антифрикционными свойствами.
Эффективным способом увеличения износостойкости является уменьшение давления в трущихся соединениях. Иногда этого можно достичь уменьшением нагрузок (рациональная раздача сил) или снижением степени цикличности и ударности нагрузок. Наиболее простой способ заключается в увеличении площади поверхности трения, нередко достигаемом без существенного увеличения габаритных размеров.
Во всех случаях, когда допускает конструкция, точечный контакт следует заменять линейным, линейный — поверхностным, трение скольжения — трением качения.
Невыгодны зубчатые передачи с точечным контактом: передачи с перекрещивающимися осями, конические с криволинейными зубьями, косозубые колеса с большим углом наклона зубьев, а также крутовинтовые передачи. Последние невыгодны еще и тем, что пятно контакта у них перемещается с большой скоростью вдоль зуба при наличии трения скольжения, тогда как в передачах с эвольвеитным зубом преобладает трение качения с малой скоростью.
Особое направление заключается в компенсации износа, осуществляемой периодически или автоматически. К числу узлов с периодической компенсацией принадлежат подшипники скольжения с осевым или радиальным регулированием зазора (с коническими несущими или посадочными поверхностями, с периодически подтягиваемыми вкладышами). Другие примеры — осевая подтяжка подшипников качения (радиально-упорных) и регулирование зазора в прямолинейных направляющих с помощью переставных клиньев и планок.
Более совершенны системы с автоматической компенсацией износа (самопритирающиеся конические пробковые краны, торцовые и манжетные уплотнения, узлы подшипников качения с пружинным натягом, системы гидравлической компенсации зазоров в рычажных механизмах и т. д.).
Решающее значение имеет правильная смазка узлов трения. Везде, где это возможно, следует обеспечивать жидкостную смазку и устранять полужидкостную и граничную. Следует избегать открытых механизмов, смазываемых периодически > набивкой. Нецелесообразно применение открытых зубчатых и цепных передач. Все трушиеся части должны быть заключены в закрытые корпуса и надежно защищены от пыли, грязи и атмосферной влаги.
Наилучшим решением являются полностью герметизированные системы с непрерывной подачей масла под давлением ко всем подвижным соединениям.
Эффективность смазки повышают введением присадок, улучшающих ее смазочные качества (коллоидальный графит, сера, дисульфид молибдена), увеличивающих маслянистость (олеиновая, пальмитиновая и другие органические кислоты), предупреждающих окисле ние (органические и металлооргани-ческие соединения S, Р и N2), предотвращающих задиры (кремнийорганические соединения).
| 
