 ОСНОВЫ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ОСНОВЫ
РАБОТОСПОСОБНОСТИ
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
F x 
F x 
1
F x  F x 
2
3
F x 
4
F x 
1
2
F x 
1
1
 x 
F x 
1
2
F x 
1
1
 F 2 x 2 
x
1
x
x, l
2

F x 
F x 
2
2
1
2
Кандидат технических
наук, доцент
Пресняков В.А.
Каф. СТЭА
2008-2009 уч. год.
Введение
В настоящее время в России резко изменились условия
взаимоотношений поставщиков и потребителей на рынке
товаров и услуг. Экономическую ситуацию «Рынок ресурсов производство» в первом приближении можно рассматривать как
«спрос» на детали автомобилей при их производстве. В ситуации
«Производство - рынок товаров» изготовленные автомобили
выступают как «предложение». Наибольшую выгоду (прибыль)
будут иметь производство деталей (комплектующих) и
автомобилей при условии, что они обладают высокой
надежностью и работоспособностью. Надежность деталей и
узлов автомобилей необходима для повышения уровня
комфортности, уменьшения огромных затрат на ремонт и
убытков от простоев, обеспечения безопасности людей.
Вследствие своего влияния на безопасность людей надежность
автомобилей имеет большое социальное значение. Наука о
надежности, выросшая из проблем надежности подшипников
качения, в дальнейшем развивалась главным образом в
применении к радиоэлектронным системам и в направлении
математической теории. Между тем надежность машин имеет
свою специфику, связанную с преобладанием износовых и
усталостных отказов и влиянием большого многообразия
2
факторов.
Цели и задачи
В презентации рассмотрены основные
процессы,
вызывающие
снижение
работоспособности машин: трение и износ,
коррозия,
усталость
и
старение
материалов, а также методы управления
этими процессами. Особое внимание
уделено математическому аппарату и
традиционным методам расчета, анализа и
прогнозирования надежности машин.
3
Рекомендуемая литература
Зорин В.А. Основы работоспособности
технических систем: М., Магистр-пресс,
2005. - 535 с.
 Половко А.М., Гуров С.В. Основы теории
надежности: СПб., BHV, 2006. – 704 с.
 Шаповал В.В. Основы работоспособности
технических систем: Конспект лекций.Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2000. – 76 с.
 Шаповал В.В. Основы работоспособности
машин: Учебно-практическое пособие. –
Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2001. – 44 с.

4
Учебный план
 Всего
часов – 171.
 Аудиторных – 51;
из них 32 – лекционные и 17
практические занятия.
 Самостоятельная работа – 120.
5
1. ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
АВТОМОБИЛЕЙ И ЕГО
ИЗМЕНЕНИЕ В ПРОЦЕССЕ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
6
Изменение технического состояния
автомобилей
Основной
целью
технической
эксплуатации
автомобилей
является
снижение
затрат
на
поддержание
работоспособности
автомобиля
в
заданных условиях эксплуатации.
Необходимо установить зависимости определяющие
работоспособность автомобиля. Такие зависимости
принято называть математическими моделями.
Математическая модель позволяет на основе данных
об
изменении
регулируемых
параметров
прогнозировать техническое состояние автомобилей.
Это дает возможность следить за изменением удельных
затрат на поддержание работоспособности автомобиля
и обеспечить их оптимальный уровень в заданных
эксплуатационных условиях.
7
Техническое состояние и
работоспособность автомобиля
Современный автомобиль состоит из 15—18 тыс.
деталей, из которых 7—9 тыс. теряют свои
первоначальные свойства при работе, причем около
3—4 тыс. имеют срок службы меньше, чем
автомобиль. Из них 200—400 деталей “критических”
по надежности, чаще других требуют замены,
вызывают простои автомобилей, и затраты в
эксплуатации.
 В процессе эксплуатации автомобиль
взаимодействует с окружающей средой, а его
элементы взаимодействуют между собой. Это
вызывает нагружение деталей, их взаимные
перемещения, трение, нагрев, изменение в процессе
работы физических величин и конструктивных
(структурных) параметров: размеров, зазоров и т. д.

8
Техническое состояние автомобиля определяется
совокупностью конструктивных параметров. Возможность
непосредственного измерения конструктивных параметров
без частичной или полной разборки агрегатов ограничена. В
этом случае пользуются косвенными величинами или так
называемыми диагностическими параметрами, которые
связаны с конструктивными и дают о них ту или иную
информацию (например, мощность, расход масла,
компрессия и т. д.).
Различают:
— параметры выходных рабочих процессов,
определяющие основные функциональные свойства
автомобиля (мощность, тормозной путь);
— параметры сопутствующих процессов (нагрев,
вибрация, содержание продуктов износа в масле);
— геометрические (конструктивные) параметры,
определяющие связи между деталями в агрегате
(механизме) и между отдельными агрегатами и
механизмами (зазор, ход, вид посадки и др.).
9
Схема изменения параметров технического состояния
y
y
y
y
S
Тj
S
ТП

П
y
y
2
i
Д
1
i
H
S
ТН
l
l
0
l
p
l
pj
Sтн, Sтп — начальное и предельное значение тормозного пути;
yп, yд — предельное и допустимое значение параметров тех. состояния;
yн — номинальное значение параметра технического состояния;
lp — наработка до предельного значения параметра технического состояния;
lо — оптимальное значение периодичности;
1 — зона работоспособности; 2 — зона отказа.
10
Основные причины изменения технического
состояния автомобилей.
Изменение технического состояния АТС, происходит под
влиянием постоянно действующих причин, обусловленных
работой самих механизмов, случайных причин, а также
внешних условий, при которых работает и хранится АТС.
 Случайные причины — скрытые дефекты перегрузки
конструкции, превосходящие допустимые пределы.
 Основные (постоянно действующие) причины:
изнашивание, пластические деформации, усталостные
разрушения, коррозия, физико-химические и температурные
изменения материалов и деталей.
 Изнашивание — процесс постепенного изменения
размера детали при трении вследствие ее деформации или
отделения с поверхности трения материала.
11


Влияние условий эксплуатации на
техническое состояние автомобилей
Дорожные условия определяют режим работы
АТС, характеризуются технической категорией
дороги (их пять), видом и качеством дорожного
покрытия, сопротивлением движению автомобиля,
элементами дороги в плане (ширина, величины
подъемов и уклонов, радиусы закруглений).
Условия движения характеризуются влиянием
внешних факторов на режимы движения и,
следовательно, на режимы работы АТС и его
агрегатов (интенсивность движения за городом и в
городе).
12



Транспортные условия (условия перевозок)
характеризуются скоростью движения, длиной груженой
ездки, коэффициентом использования пробега,
коэффициентом использования грузоподъемности,
коэффициентом использования прицепов, родом
перевозимого груза.
Природно-климатические условия характеризуются
температурой окружающего воздуха, влажностью, ветровой
нагрузкой, уровнем солнечной радиации.
Выделяются несколько природно-климатических районов:
очень холодного, жаркого, сухого, очень жаркого, сухого,
умеренно теплого, теплого влажного, умеренного холодного
и др., включая районы с высокой агрессивностью
окружающей среды.
Сезонные условия характеризуется колебаниями
температуры окружающего воздуха, изменением состояния
дорожных условий, появлением ряда факторов, влияющих
на интенсивность изменения параметров технического
состояния АТС (пыль — летом, влага и грязь — осенью и
зимой).
13
Классификация отказов
по влиянию на работоспособность изделия:
 — вызывающие неисправность (перегорела
лампочка);
 — вызывающие отказ (поломка тормозов);
по источнику возникновения:
 — конструктивные (вследствие
несовершенства конструкции);
 — производственные (из-за нарушения
технологического процесса изготовления или
ремонта);
 — эксплуатационные (перегрузка,
применение не того топлива и смазок);
14
По связи с отказами других элементов:
 зависимые — обусловленные отказом или
неисправностью других элементов (задир зеркала
цилиндра из-за поломки поршневого пальца);
 независимые — не обусловленные отказом
других элементов (прокол шины);
по характеру (закономерности) возникновения и
возможности прогнозирования:
 постепенные — в результате плавного,
постепенного изменения параметров технического
состояния, чаще всего вследствие износа (40—
70% всех отказов), они, могут быть предотвращены
в результате своевременного выполнения ТО;
 внезапные — характерным является
скачкообразное изменение технического состояния
(различные повреждения, внезапные поломки).
15
по частоте возникновения (наработке):
 малой наработкой (3—4 тыс. км);
 средней наработкой (4—16 тыс. км);
 большой наработкой (>16 тыс. км).
по трудоемкости и продолжительности
устранения:
 малой трудоемкости (до 2 чел. час);
 средней трудоемкости (2—4 чел. час);
 большой трудоемкости (>4 чел. час).
по влиянию на потери рабочего времени:
 устраняемые без потерь рабочего времени, т. е.
при ТО или в нерабочее (межсменное время);
 устраняемые с потерей рабочего времени.
16
Механизм возникновения постепенных (а) и
внезапных (б) отказов
a
б
y
y
E
E
Д
E
E
y
H
E
E
E
n 1
E
n2
E
E
n 3
3
E
2
E
1
E
0
1
2
3
в
n2
n 1
E
n
в
в
n
x
0
x
Еo — состояние отказа; ЕR — начальное состояние; Хo —
наработка на отказ (достижение предельного состояния)
17
Надежность сложный показатель, который может
включать в себя такие свойства как:




безотказность (свойство непрерывно сохранять
работоспособность до наступления предельного состояния
в течение некоторой наработки),
долговечность (свойство сохранять работоспособность до
наступления предельного состояния при установленной
системе технического обслуживания и ремонта),
ремонтопригодность (свойство в приспособленности к
предупреждению и обнаружению причин возникновения
отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению
работоспособности путем проведения ремонтов и
технического обслуживания),
сохраняемость (свойство объекта непрерывно сохранять
показатели безотказности, долговечности и
ремонтопригодности в течении и после хранения и
транспортировки).
18




Наработка — продолжительность работы изделия (в часах
или км. пробега).
Ресурс — наработка до предельного состояния,
оговоренного технической документацией.
Работоспособность — состояние изделия при котором оно
способно выполнять заданные функции с параметрами,
значения которых установлены технической
документацией. В том случае, когда изделие, хотя и
может выполнять свои основные функции, но не отвечает
всем требованиям технической документации (например,
помято крыло) — изделие работоспособно, но неисправно.
Отказ — нарушение работоспособности, приводящее к
прекращению транспортного процесса (т. е. остановка на
линии, возврат с линии и т. д.).
Все другие отклонения технического состояния от
установленных норм являются неисправностями.
19
Основные свойства технических систем
20
Изменение показателей во времени
П
к
1
5
П
4
к1
3
2
0
t
1 — начальное значение показателя надежности;
2 — изменение показателя надежности во времени;
3 — регулируемый показатель надежности;
4 — влияние технической эксплуатации на показатель надежности;
5 — реализуемый показатель надежности с учетом технической
эксплуатации.
21
2. Показатели
надежности
22
Основные показатели надежности
Таблица 1.
Обозначение
Наименование
Пример записи
P(t)
Вероятность
безотказной работы
P(1000 ч)
Т1
Средняя наработка
до отказа
Т1=1000 ч.
Интенсивность
отказов
 (100 ч) < 0,05 1/ч
w(t.)
Параметр потока
отказов
w(100 ч)< 0,04 1/ч
Т0
t o. y .
Наработка на отказ
Т0 = 100 ч
t
F(tв)

t
в
Установленная
наработка на отказ
Вероятность
восстановления
Среднее время
восстановления
 0,9
to.y. > 1000 ч
F(1,0 ч) 0,9

t в = 1,0 ч
23
tв








Вероятность безотказной работы P(t) - вероятность того, что в пределах
заданной наработки на отказ объекта не возникает.
Средняя наработка до отказа Т1 - математическое ожидание наработки
объекта до первого отказа.
Интенсивность отказов J(t) - условная плотность вероятности
возникновения отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для
рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ
не возник.
Параметр потока отказов w(t) - отношение среднего числа отказов
восстанавливаемого объекта за произвольно малую его наработку к значению
этой наработки.
Наработка на отказ Т0 - отношение наработки восстанавливаемого объекта к
математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.
Установленная наработка до отказа tо.у. - наработка до установленных в
технической документации видов отказов, которую должен иметь каждый
объект при заданных условиях эксплуатации.
Вероятность восстановления Р(t в) - вероятность того, что время
восстановления работоспособности объекта не превысит заданного.
Среднее время восстановления tВ - математическое ожидание времени
восстановления работоспособности (собственно ремонта).
Внезапные отказы в период нормальной эксплуатации определяются
случайными неблагоприятными сочетаниями большого количества факторов.
Случайность связана с тем, что причины события для нас являются скрытыми.
Поэтому надежность необходимо рассматривать в вероятностном аспекте.
24
3. Аналитические
зависимости изменения
вероятности безотказной
работы машины
25
Рассмотрим результаты, проведенных для оценки
надежности, испытание значительного числа N0 элементов
в течении времени t. К концу испытаний остается Nи
(исправных) и Nот (отказавших) элементов, Тогда:
вероятность отказов
N
 (t ) 
N
om
o
.(1)
Если испытания проводятся с целью прогнозирования
надежности, то Q(t) можно рассматривать как вероятность
отказов (при достаточно большом N0).
26
вероятность безотказной работы
N
N
N
и
o  N om
P(t ) 

 1  om  1   (t ).
No
No
N0
(4)
так как безотказная работа и отказ - взаимно
противоположные состояния изделия, поэтому их
сумма равна единице:
P(t )  (t )  1
(3)
27
Q(t)
Графическая интерпретация вероятности
безотказной работы и вероятности отказа
28
плотность вероятности отказов f(t)
или вероятность отказов в единицу времени, есть
производная от функции вероятности отказов по времени
или наработке в других единицах.
d (t ) dN om 1 dN om
f (t ) 


dt
dtN o N o dt
.
(4)
d
d
d
f (t )  [1  P(t )]  0  P(t )   P(t ).
dt
dt
dt
(5)
Выразим вероятность отказов и вероятность
безотказной работы через плотность вероятности
отказов. Из выражения (3):

t

P(t )  1   (t )   f (t )dt   f (t )dt   f (t )dt .
0
0
(6)
t
29
интенсивность отказов
(t)
- это вероятность отказа в единицу времени при
условии, что отказ до этого времени не наступал, т.е.
это скорость изменения отказа в единицу времени,
отнесенная к числу исправных элементов (постоянных в
указанном промежутке времени):
 (t ) 
1
Nи
d
N om
(7)
dt
Из выражений (6) и (7) следует, что f(t) и
(t) отличаются
знаменателями.
d N om
d
P(t )   N и
  P(t )  (t ).
dt
N o N и dt
(8)
30
Проинтегрировав и преобразовав выражение (8) получим:
t
P(t )  e
При нормальной эксплуатации
 (t)=const.=  , тогда
   ( t ) dt
(9)
o
объектов интенсивность
отказов
t
  (t )dt
o
принимает выражение
 t, а зависимость (9) представляется как:
 t
P(t )  e
(10)
Из этого следует, что вероятность безотказной работы изменяется по
экспоненте (см. рис. 1).
31
Р(L)
1,0
L
Рис 1.Характер изменения безотказной работы Р(L) объекта в зависимости от
пробега (L)
32
Надежность систем
33
Рис. 2. Система последовательно соединенных
элементов
34
По теореме умножения вероятностей:
Pc (t )  P1(t ) P2 (t ) P3(t ).... Pn (t )
При
условии
равенства
P1(t)=P2(t)=....Pn(t)
Pc (t ) 
.
надежностей
n
1 (t ).
P
(11)
элементов,т.е.
(12)
Из зависимости (12) следует, что надежность сложной
системы будет уменьшаться, даже если она состоит из
достаточно надежных элементов. Например: система состоит
из шести элементов с одинаково высокой надежностью
Pi=0,99, n=6;
Pc(t)=(0,99)6»0,94.
Pc (t )  1  1(t )1   2 (t )...1   n (t )  1  1(t )   2 (t )... n (t )
(13)
При Q1(t)=Q2(t)=....=Qn(t) получим Pc(t)=1-nQ1(t) и для заданных условий:
Pi=0.99; Qi=0,01; n=6 имеем Pc=1-6·0,01=0,94.
35
Из приведенного выше следует. Если требуется высокая
надежность системы, состоящей из многих элементов, то простым
повышением надежности ее элементов достичь требуемого
качества
часто
не
удается
и
приходится
применять
резервирование. Резервирование наиболее широко применяется
при конструировании
приборов
в радиоэлектронной
промышленности, когда резервные элементы имеют
малье
габариты и легко собираются в системы. В машиностроении
резервирование может проявляться как при конструировании
узлов, так и при решении вопросов организации производства:
- в ответственных узлах используют двойную систему
смазки, двойное и тройное уплотнение;
- в станках применяют запасные комплексы специальных
инструментов;
- в морских судах силовые установки имеют, как правило, по
две машины;
- в пассажирских самолетах применяют 3-4 двигателя и
несколько электрических машин. Выход из строя одной или
даже нескольких машин, кроме последней, не приводит к аварии
самолета;
- в автомобилях применяется двойная система тормозов,
привод задних (передних) колес или сблокированный привод всех
четырех колес, поворот передних или всех четырех колес при
управлении автомобилем .
36
Рис 3. Система с резервированием элементов
37
n
 с (t )   1 (t )   2 (t )   3 (t )... n (t )  П1  i (t ).
(14)
,где Q i(t) - вероятность отказа i-го элемента.
Тогда вероятность безотказной работы:
P (t )  1 
c
c
(t ),
при 1 (t )   2 (t )   3 (t )  ... n (t ), c (t )   1 (t )
n
.
n
(
t
)

1

 1 (t )
Pc
(15)
Тогда, еслиQ1(t)=0,01, n=6, то Pc(t)=1-0,016=0,9999..., т.е.
надежность значительно повышается.
38
Статистическая оценка
основных показателей
надежности.
39
При испытании на надежность невосстанавливаемых объектов
удобно пользоваться следующими показателями:
f(t) - плотность распределения, т.е. плотность вероятности случайного
события;
P(t) - вероятность безотказной работы;
 (t) - интенсивность отказов;
T1 – средняя наработка до отказа.
40
Математические зависимости основных показателей надежности
невосстанавливаемых объектов:
Таблица 2.
Вероятностное обозначение
'
f (t )   P' (t )  Q (t )
t
P(t )  1   f (t )dt
Статистическая оценка

f (t )  n( t ) / ( N 0 t )

P(t )   N 0  n( t )  / N 0
0
T

Q(t )   f (t )dt
Q(t )  n(t ) / N 0
 (t )  f (t ) / P(t )

0

T 1   P(t )dt
0
 (t )  n(t ) / N cp t
N0
T1   t1 / N 0
i 1
41
Математические зависимости основных показателей надежности для
восстанавливаемых объектов:
Таблица 3.
Вероятностные обозначения
t
 (t )  f (t )    ( ) f (t   )dt
Статистическая оценка

 (t )  n( t ) / Nt
0
N
n
T 0   t i
f 1 i 1

T

t
 i
n
i 1
n
42
Определение количественных характеристик надежности
осуществляется двумя способами:
- по статистическим данным об отказах изделий, при этом используют
статистические оценки показателей надежности;
по известному аналитическому выражению какой либо характеристики,
тогда применяют вероятностное определение характеристики.
Пример:
Проводятся испытания на надежность 3-х экземпляров одного
изделия. За время наблюдения первый отказал 6 раз при наработке 350
часов, второй отказал 11 раз, за время 400 часов и третий отказал 8 раз,
за время 500 часов.
Определить: наработку изделия на отказ.

T
 ti
 ni

,где  ti - сумма наработок трех изделий, а
количество отказов.
Тогда:
(16)

ni -
суммарное
 ti=350+400+500=1250 час., а  ni=6+11+8=25 суток и средняя
t
T 
n

наработка на отказ

i
i

1250
 50
25
43
Тема 4. Методика
испытания
эксплуатационной
надежности машин и
предъявление требований
промышленности.
44
Виды испытаний
Испытание - экспериментальное
определение (оценивание) и (или)
контроль количественных и (или)
качественных характеристик свойств
объекта испытаний как результат
воздействия на него, при его
функционировании,
при
моделировании объекта и (или)
воздействий.
45


Определительные испытания - испытания,
проводимые для определения значений
характеристик объекта с заданными значениями
точности и (или) достоверности.
Контрольные испытания - испытания,
проводимые для контроля качества объекта.
Среди контрольных обычно различают приемосдаточные и типовые испытания. Контрольные
испытания готовой продукции, проводимые при
приемочном контроле, называются приемосдаточными. К типовым испытаниям относятся
контрольные испытания продукции, проводимые с
целью оценки эффективности и целесообразности
вносимых изменений в конструкцию, рецептуру или
технологический процесс.
46



Исследовательские испытания - испытания,
проводимые для изучения определенных
характеристик свойств объектов.
Исследовательские испытания, проводимые для
определения зависимости между предельно
допустимыми значениями параметров объекта и
значениями параметров режимов эксплуатации,
называются граничными.
Доводочные испытания - исследовательские
испытания, проводимые в процессе разработки
изделий с целью оценки влияния вносимых в них
изменений для достижения требуемых
показателей качества.
Предварительные испытания - контрольные
испытания опытных образцов (партий) изделий с
целью определения возможности их предъявления
на приемочные испытания.
47


Приемочные испытания - это контрольные испытания
опытных образцов (партий) изделий, а также изделий
единичного производства, проводимые соответственно
для решения вопроса о целесообразности постановки
на производство этих изделий или передачи их в
эксплуатацию.
К нормальным относятся испытания, методы и условия
проведения которых обеспечивают получение
необходимого объема информации о характеристиках
свойств объекта в такой же интервал времени, как и в
предусмотренных условиях эксплуатации. Ускоренные
испытания - испытания, методы и условия проведения
которых обеспечивают получение необходимой
информации в более короткий срок, чем при
нормальных испытаниях. Сокращенные испытания испытания, проводимые по сокращенной программе без
интенсификации процессов, вызывающих отказы и
повреждения. Форсированные испытания ускоренные испытания, основанные на интенсификации
деградационных процессов, приводящих к отказам.
48
Ускоренные испытания
Ускоренными называются испытания, методы и
условия проведения которых обеспечивают
получение необходимого объема информации в
более короткий срок, чем в предусмотренных
условиях и режимах эксплуатации. Ускоренные
испытания бывают сокращенными и
форсированными.
Сокращенные испытания - ускоренные
испытания без интенсификации процессов,
вызывающих отказы или повреждения. В
сокращенных испытаниях уменьшение сроков
получения показателей надежности достигается за
счет прогнозирования поведения объекта
испытаний на период, больший, чем
продолжительность испытаний.
49
Форсированные
испытания - ускоренные
испытания, основанные на интенсификации
процессов, вызывающих отказы или повреждения.
При форсированных испытаниях проводится
преднамеренное увеличение скорости утраты
работоспособности изделия.
Ускоренные испытания разрабатываются с целью
сокращения сроков проведения испытания по
сравнению с нормальными испытаниями, т.е.
испытаниями, методы и условия проведения
которых обеспечивают получение необходимого
объема информации в такой же срок, как и в
предусмотренных НТД условиях и режимах
эксплуатации для данного изделия
50


Основной характеристикой ускоренных
испытаний является коэффициент ускорения
- число, показывающее, во сколько раз
продолжительность ускоренных испытаний
меньше продолжительности испытаний,
проведенных в предусмотренных условиях и
режимах эксплуатации (нормальных
испытаний).
Коэффициент ускорения может исчисляться по
наработке и по календарному времени.
Коэффициент ускорения по наработке отношение наработки изделия в нормальных
испытаниях к наработке в ускоренных
испытаниях. Коэффициент ускорения по
календарному времени - отношение
календарного времени нормальных испытаний
к календарному времени ускоренных
испытаний.
51
При разработке ускоренных испытаний для конкретного
вида изделий необходимо в первую очередь
установить принцип ускоренных испытаний, затем на
основании сформулированного принципа выбрать
метод и режим ускоренных испытаний. Принцип
ускоренных испытаний - совокупность теоретических
и экспериментально обоснованных закономерностей
или допущений, на использовании которых основано
проведение испытаний с сокращением их
продолжительности. Метод ускоренных испытаний совокупность правил применения принципов
ускоренных испытаний для получения показателей
надежности определенных групп или видов изделий.
Режим ускоренных испытаний - режим,
предусмотренный применяемым принципом и методом
ускоренных испытаний и обеспечивающий сокращение
продолжительности испытаний.
52


Режим ускоренных испытаний может быть
нормальным (для сокращенных испытаний),
форсированным (для форсированных
испытаний), комбинированным при
чередовании нормального и форсированного
режимов (при форсированных испытаниях).
Нормальный режим - режим, при котором
значения его параметров находятся в
пределах, установленных в технической
документации для нормальной эксплуатации
испытуемого изделия. Частным случаем
нормального режима является номинальный
режим испытания, соответствующий
установленным параметрам внешних
воздействий, принимаемых обычно за начало
отсчета допустимых отклонений.
53


Форсированный режим - режим испытаний,
обеспечивающий увеличение интенсивности
процессов утраты работоспособности по
сравнению с нормальным режимом.
Форсированный режим может достигаться за
счет изменения одного или одновременно
нескольких форсирующих факторов.
Форсирующим фактором называется
составляющая режима испытаний, изменение
параметров которой по сравнению с режимом
нормальных испытаний приводит к
интенсификации процессов, вызывающих отказ
или повреждение. В качестве форсирующего
фактора используют усилие (момент), скорость
(частоту), температуру, влажность среды,
абразивность среды, химическую
агрессивность среды и т.д.
54
Оценка параметров генеральной совокупности
Характеристики положения
 Основными параметрами генеральной
совокупности являются математическое ожидание
(генеральная средняя) М(Х) и среднее
квадратическое отклонение σ . Это постоянные
величины, которые можно оценить по
выборочным данным. Оценка генерального
параметра, выражаемая одним числом,
называется точечной.
 Точечной оценкой генеральной средней μ
является выборочное среднее X . Выборочным
средним называется среднее арифметическое
всех значений величины, встречающихся в
выборке.
55
Если
выборочное среднее вычисляется по несгруппированным данным, то для его определения
сумму всех значений делят на количество элементов в выборке:
Пример: Вычислить среднее значение расхода
топлива 10 грузовых автомобилей.
56
Если выборочное среднее вычисляется по вариационному ряду, то находят сумму произведений
вариант на соответствующие частоты, и делят на
количество элементов в выборке.
Пример: Вычислить среднее значение расхода
топлива 10 грузовых автомобилей (ранжированный
ряд – 22 23 23 24 24 25 25 25 26 27).
57
В том случае, когда статистические данные
представлены в виде интервального
вариационного ряда, при вычислении
выборочного среднего значениями вариант
считают середины интервалов.
Пример: вычислить среднее значение
дневного пробега автомобилей TOYOTA
58
Выборочное
среднее является основной характеристикой положения, показывает центр распределения
совокупности, позволяет охарактеризовать исследуемую совокупность одним числом, проследить
тенденцию развития, сравнить различные совокупности.
Непараметрическими характеристиками положения
являются мода и медиана. Модой называется варианта,
имеющая наибольшую частоту (для последнего
примера мода равна 67,5).
Медианой называется варианта, расположенная в
центре ранжированного ряда. Если ряд состоит из
четного числа вариант, то медианой считают среднее
арифметическое двух вариант, расположенных в центре
ранжированного ряда.
Пример: найти моду и медиану выборочной совокупности по расходу топлива грузовиков Мо = 25; Ме = 24,5
59
Математическая обработка статистической информации о надежности
производится в следующем порядке:
Из статистического ряда составляется вариационный ряд, при этом
случайные реализации xi записываются в порядке их возрастания и
одинаковые значения не исключаются, а повторяются друг за другом.
Определяют размах варьирования R
R  X max  X min
(17)
Значение интервала группирования рассчитывается по формуле
R
 x  (1  3,3lg n) ,
(18)
где n – число членов вариационного ряда
 x округляют до ближайшего целого числа.
Количество интервалов группирования K рассчитывается
по зависимости
K
R
x
(19)
60
и полученное число округляется до ближайшего
целого (при вычислениях K выбирается из ряда
чисел 7, 11, 13, 15, 17...и т.д.), а затем уточняется

х.
Подсчитывают количество niтех значений X=xi,
которые попали в интервал длиной x и далее
составляют таблицу с указанием номера i-го
интервала (по мере возрастания значений xi) и
чисел ni для
 этих интервалов.
61
Таблица данных построения графика.
Таблица 4.
1
2
…
i
…

X1
 Xi
 X2
 n2
K
…
…
 n1
…
…
 ni
i 1
…
 nk
k
 Xi  R
Xk
…

…
k
  ni  n
i 1
62
Рис. 4. Полигон случайных чисел
63
Плотность вероятности случайной величины f(x) определяется:
ni
f ( xi ) 
nx
(20)
где: xi - середины интервалов; ni - значение отказов в I- ом


интервале; x – величина интервала; n – общее число отказов.
Рис. 5. Гистограмма частот случайных величин
64
Математическое ожидание дискретной случайной величины Mx (она еще
называется
средневзвешенным
значением)
определяется
по
зависимости:
n
M x   x i p ( xi )
(21)
i 1
,где n- число возможных значений случайной величины x, xi - возможные
значения исследуемой дискретной величины, p(xi) - соответствующая
вероятность значений xi.
Дисперсией дискретной случайной величины называется сумма
произведений квадратов отклонений случайной величины x от ее
математического ожидания на соответствующие вероятности и
она определяется по зависимости:
n
2
(22)

(

)
p
(
)
x
i
x
i
i 1
D
x M
x
Поэтому в технике чаще пользуются средним квадратичным отклонением:
 
Размерность
Dx .
(23)
 совпадает с размерностью самой случайной величины
65
х.
Тема 5. Причины потери
работоспособности деталей
автомобилей.
66
Различные виды энергии, действуя на машину, вызывают в узлах и
деталях процессы, изменяющие начальные параметры. Эти процессы,
как правило, связаны со сложными физико-химическими явлениями и
приводят к деформациям, износу, поломкам, коррозии и другим видам
повреждений. Упрощенно это можно проследить по следующей схеме:
энергия, действующая на машину, вызывает процессы, изменяющие
свойства или состояние материала деталей машины, что в свою
очередь приводит к повреждению материала. Повреждение материала
изделия может вызвать изменение выходного параметра изделия
(скорость движения, величина упругого перемещения, силовое
воздействие и т.д.), это приводит к отказам, т.е. потере машиной
работоспособности.
Потеря машиной работоспособности во многом определяются
изнашиванием, которое зависит от материала, условий эксплуатации,
конструкторско-технологических факторов, влияющих на износ
сопряженных деталей.
Изнашивание - это процесс постепенного изменения размеров тела при
трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и
его остаточном деформировании (ГОСТ 16429-80). Износ может
сопровождаться процессами коррозии и является сложным физикохимическим процессом. В процессе изнашивания исходный
(технологический) микрорельеф преобразуется в эксплуатационный (см.
рис. 4). Износ деталей при соблюдении всех правил технической
эксплуатации является естественным результатом работы сопряжения и
называется естественным. Классификация видов износа приведена на
рисунке (см. рис. 5).
67
Рис. 4. Схема перехода от исходной поверхности к прирабатываемой.
68
Рис. 5. Классификация видов износа.
69
Процентное соотношение причин отказов
для автомобилей при пробеге 100 тыс.км
Причины отказов
Автомобиль
Грузовой
%
40
Автобус
%
37
1
Изнашивание
2
Пластические деформации и
прочностные разрушения
26
29
3
Усталостные разрушения
18
16
4
Старение
12
11
5
Прочие
4
7
70
На износостойкость деталей оказывает влияние большое число
факторов, среди которых следует отметить материалы трущейся
пары, геометрия и шероховатость рабочих поверхностей, условия
смазки. В результате взаимодействия этих факторов возникают
различные виды изнашивания. Характерные виды изнашивания
рассмотрим на примере деталей автомобильного двигателя.
Наиболее характерно для автомобильных двигателей абразивное
изнашивание, вызываемое попаданием в зазор между трущимися
деталями со смазкой мелких твердых частиц, не задержанных
фильтрами (масляным, топливным и/или воздушным). Изнашивание
деталей происходит в результате микрорезания поверхностей этими
частицами. В паре трения, где одна из деталей имеет «мягкую»
рабочую поверхность (например, вкладыш подшипника скольжения),
абразивные частицы могут внедриться в такую поверхность и
изнашивать сопрягаемую поверхность. Иногда попадание
абразивных частиц к конкретной паре происходит не извне, а из-за
износа какой-либо другой детали.
В ряде трущихся пар двигателя можно наблюдать коррозионномеханическое изнашивание. Такое изнашивание возникает при
высоких нагрузках в сопряженных деталях, когда в условиях
повышенных температур и давлений происходит химическое
взаимодействие материалов со смазочной средой.
71
При коррозионно-механическом изнашивании происходит
разрушение поверхностного слоя детали. Подобная картина
встречается в подшипниках скольжения (поверхность вкладыша
приобретает «пористую» структуру с многочисленными точечными
раковинами), у поршневых колец и цилиндров.
Детали распределительного механизма у многих двигателей
работают в условиях высоких контактных нагрузок, в результате
чего возникает усталостное изнашивание. Оно характерно
выкрашиванием материала с рабочей поверхности и появлением
раковин. Усталостное выкрашивание часто встречается на
кулачках распределительного вала, толкателях и торцах стержней
клапанов.
Заедание деталей при недостаточной смазке характеризуется
молекулярно-адгезионным изнашиванием, когда при больших
нагрузках и/или недостатке смазки происходит соприкосновение
поверхностей. В результате этого на одной из поверхностей
материал «вырывается» и переносится на другую (возникает
«наволакивание» материала), а возникшие неровности
воздействуют на обе контактирующие поверхности. Данный вид
изнашивания встречается в подшипниках скольжения и поршневой
группе после режима «масляного голодания», при перегреве или
сборке с недостаточными зазорами.
72

В насосах системы охлаждения иногда встречается
кавитационное изнашивание в виде точечных
дефектов на входных кромках и у ступицы
крыльчатки, не оказывающее существенного влияния
на работу системы охлаждения.
73
Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит при
относительных колебательных перемещениях
контактирующих металлических поверхностей в результате
вибраций или периодических деформаций элементов
конструкций. Случаи фреттинг-коррозии распространены в
местах посадки сопряженных деталей (на внутренних и
наружных кольцах подшипников качения, на поверхностях
посадочного отверстия зубчатого колеса, в шлицевых,
шпоночных и болтовых соединениях).
74
Фреттинг-коррозия
- это процесс разрушения плотно
контактирующихся поверхностей пар металл-металл или
металл - неметалл в результате малых колебательных
относительных перемещений. Для возбуждения фреттинг
- коррозия достаточны перемещения поверхностей с
амплитудой 0,025 мкм. Разрушение заключается в
образовании на соприкасающихся поверхностях мелких
язвин и продуктов коррозии в виде налета, пятен и
порошка. Вследствие малой амплитуды перемещения
соприкасающихся поверхностей повреждения
сосредоточиваются на небольших площадках
действительного контакта. Продукты износа не могут
выйти из зоны контакта, в результате возникает высокое
давление и увеличивается их абразивное действие на
основной металл.
Продукты фреттинг-коррозии стальных изделий в
атмосфере воздуха имеют цвет от светло-краснокоричневого до темно-коричневого в зависимости от
марок материалов, давления, влажности и частоты
циклов микросмешений.
75
Фреттинг-коррозия
осуществляется также в вакууме, в
среде кислорода, азота и гелия. Интенсивность
изнашивания при фреттинг-коррозии в атмосфере воздуха
выше, чем в вакууме и в среде азота, а в кислороде
больше, чем в гелии.
Язвины и продукты коррозии на сопряженных
поверхностях валов и напрессованных на них дисков,
колес, муфт и колец подшипников качения, на осях и
ступицах колес, на запрессованных в картерах вкладышах
подшипников, на пригнанных поверхностях шпонок и их
пазов, на центрирующих поверхностях шлицевых
соединений, на опорах силоизмерительных устройств, на
опорных поверхностях пружин, на затянутых стыках, в
заклепочных соединениях между листами, на заклепках и в
отверстиях, на болтах и т. п. — результат проявления
фреттинг-коррозии.
Необходимые для протекания этого процесса
относительные микросмещения сопряженных поверхностей
совершаются вследствие деформации деталей под
нагрузкой и вибрации их, а также колебаний, происходящих
в упругих системах.
76
Методы борьбы с фреттинг-коррозией.
Универсальных средств борьбы с фреттинг-коррозией нет, но для ее
уменьшения необходимо:
уменьшить микросмещения;
снизить силы трения;
сосредоточить скольжение в промежуточной среде.
Уменьшить относительное микросмещение можно путем придания
деталям соответствующих конфигураций или посредствам
повышения силы трения. Силы трения можно увеличить, повысив
давление путем уменьшения площади соприкосновения деталей или
повысив коэффициент терния за счет увеличения шероховатости
поверхности. Шероховатость будет длительно влиять на
коэффициент трения, если один из элементов пары не является
металлом. Другой метод увеличения силы трения состоит в
нанесении на поверхность электролитического слоя меди, олова,
кадмия, серебра или золота.
Если исключить вибрацию невозможно, то необходимо либо
уменьшить силу трения или перенести скольжение в промежуточную
среду: добавить свинцового белика, парафин; поверхности покрыть
фосфатным, свинцовыми или индиевыми покрытиями.
Уменьшить повреждение от фреттинг-коррозии можно, повышая
твердость одной детали; при этом уменьшается взаимное внедрение
деталей, что снижает интенсивность изнашивания.
77


Водородное изнашивание
Водородное изнашивание зависит от
концентрации водорода в поверхностных слоях
трущихся деталей. Он выделяется из
материалов пары трения или из окружающей
среды (смазочного материала, топлива, воды и
др.)
Сущность водородного изнашивания в том, что
при трении двух тел максимальная температура
образуется не на поверхности тел, а на
некоторой глубине. Это создает условия при
которых водород под действием температуры
диффундирует вглубь поверхности, там
концентрируется и вызывает охрупчивание
поверхностных слоев, а следовательно,
78
усиливает изнашивание
Для защиты металлов от воздействия водорода
рекомендуются методы:
 введение в сталь сильных карбидообразующих
элементов ( хром, молибден, ванадий, ниобий и
титан) для стабилизации карбидной
составляющей и предупреждения
обезуглероживания стали.
 футеровка стали металлами, имеющими более
низкую водородопроницаемость ( например
медь, алюминий и др.)
 уменьшить содержание в сталях соединений
серы, сурьмы, селена и др., которые
способствуют проникновению в металл
водорода.
79
Избирательный перенос при трении
В середине 50-х г.г.прошлого столетия при
исследовании технического состояния узлов
трения самолета ИЛ на разных этапах его
эксплуатации было обнаружено явление
самопроизвольного образования тонкой пленки
меди на поверхностях деталей
тяжелонагруженных узлов при работах пары
трения сталь- бронза при смазывании
спиртоглицериновой смесью. Пленка меди
толщиной 1…2 мкм в процессе трения покрывала
как бронзу, так и сталь. Она резко снижала износ
пары трения и уменьшала силу трения примерно
в 10 раз.
80
Образовавшуюся защитную пленку называют
«сервовитной». Она представляет собой вещество
(металл), образованное потоком энергии и существующее
в процессе трения. Трение не может уничтожить пленку,
оно ее создает. При деформировании сервовитная пленка
не разрушается и не подвергается усталостному
разрушению.
Установлено, что материал пленки находится в состоянии,
подобном расплавленному. Она не способна к наклепу,
имеет малые сдвиговые усилия, пориста. Пленка в
верхней части не имеет окислов, способна к схватыванию,
при трении ее частицы могут переходить с одной
поверхности трения на другую, т.е. схватываться без
образования повреждений и увеличения сил трения.
Трение бронзы о сталь в условиях избирательного
переноса можно уподобить скольжению тела по льду, при
котором жидкий коэффициент трения вместо воды
обеспечивает пленка расплавленного металла.
81
Методы измерения износов
В сфере АТ России износы деталей измеряют методом
непосредственных геометрических измерений с
использованием мерительного инструмента – микрометры,
нутромеры, штангенциркули, скобы с индикаторами и без
них и т.д. При доводке автомобилей на заводе-изготовителе
в период их испытаний применяются более точные методы.
Одним из наиболее практичных является метод
искусственных баз или метод лунок, вырезанных на
поверхности трения детали. В процессе испытаний
обмеряют геометрические характеристики лунки на новой
детали и после ее демонтажа при определенном пробеге. По
разнице в измерениях судят о реальных износах
поверхностей (рис.6).
Величины износов D вычисляются для плоских
поверхностей по выражению (2), для цилиндрических
поверхностей – по выражению (3): .
82
(2)
(3)
где r – радиус лунки; L1 – длина старой лунки; L2 – длина
изношенной лунки; D – искомый износ; “+” в формуле, если
поверхность выпуклая; “-” вогнутая.
83
Измерение износов методом
лунок
84
Достаточно широкое применение для измерения
износов поверхностей деталей на заводахизготовителях автомобилей нашел метод наложения
макропрофилограмм. Он наиболее часто
используется при обмере цилиндрических
поверхностей и отверстий путем снятия и наложения
макропрофилограмм новой и поработавшей деталей
(рис.7). Для правильного совмещения
макропрофилограмм, снятых с новой и изношенной
деталей, на испытуемой поверхности
предварительно наносятся отметки твердосплавным
инструментом. Разница размеров на
профилограммах показывает величины реальных
износов поверхности детали в этом сечении.
Выше описаны методы измерения износов деталей,
требующие полной или частичной разборки агрегатов
или механизмов автомобилей.
85
Измерение износов
методом наложения
макропрофилограмм:
А – метка для
совмещения; L – длина
измеренного участка;
1 – в поперечном
сечении;
2 – в продольном
сечении;
3 – совмещенные
профилограммы; - до
изнашивания; - после
изнашивания
86
Более
практичными для этих целей следует считать
методы измерений износов деталей автомобилей по
косвенным показателям.
Это в первую очередь метод спектрального анализа,
который в практике носит название – метод “железо в
масле” Заключается он в сжигании масляных проб в
вольтовой дуге, сборе продуктов сгорания в призму и
получении, за счет пучка света, интерференционной
картинки, на которой примеси каждого металла имеют свой
цвет, а по ширине линий спектра судят о количестве
металла в масляной пробе.
Наиболее широкое распространение в мировой практике
автостроения и эксплуатации нашел метод радиоактивных
изотопов. Суть метода основана на изменении величины
радиоактивного излучения от трущихся поверхностей при
определенных износах после вскрытия радиоактивных
вставок тех или иных изотопов. Перед испытаниями
радиоактивные вставки с известной излучательной
способностью или чаще разное их количество
монтируются в объеме деталей.
87
Тема 6. Показатели износа.
88
Рассмотрев основную классификацию изнашивания деталей, оценим
основные закономерности износа материалов. В соответствии с
общим методологическим подходом показателями износа являются:
- линейный износ (U мкм) - изменение размера поверхности при ее
износе, измеренное в направлении перпендикулярном к поверхности
трения;
- скорость изнашивания γ
U
мкм / ч
 
t
(24)
отношение величины износа ко времени, в течение которого
он возник (ГОСТ 16429 - 70);
- интенсивность изнашивания j
U
j
s
(25)
89
отношение величины износа к относительному пути трения, на
котором происходило изнашивание. Эта величина будет
безразмерной, так как линейный износ и путь трения измеряются в
одинаковых единицах.
В общем случае закон изнашивания можно представить следующей
функциональной зависимостью:


U или   f p, v, HB , , E , Ra , t O , t ,
(26)
где: р - давление на поверхности трения;
v - скорость относительного скольжения;
НВ - твердость материалов пары трения;
σs- предел текучести материалов пары трения;
Е - модуль упругости материалов пары трения;
Ra - шероховатость трущихся поверхностей;
t° - температура;
t - время.
90
Рис. 6. Классическая кривая износа.
91
Получение точной аналитической зависимости износа от выше
перечисленных параметров является сложной задачей, особенно при
отыскании зависимости физической сущности процесса от физикохимических параметров. Поэтому часто используют зависимости,
основанные на эмпирических данных, для определенного вида
изнашивания при установленных (начальных) условиях его протекания
и для выбранного сочетания материалов. Протекание износа во
времени показано на рис. 6, где выделены период приработки (1),
нормальный износ (2) и катастрофический износ (3). Аналитическая
зависимость износа во времени может быть представлена
выражением:
U  U n  t
(27)
где: Un — начальный износ,
t - время,
γ- скорость изнашивания.
92
В общем случае скорость изнашивания имеет вид:
  k  p v
m
n
(28)
где, р - давление на поверхности трения,
v - скорость относительного скольжения,
k - коэффициент износа, различный для материалов пар трения в
условиях изнашивания,
m, n - коэффициенты.
93
При абразивном изнашивании m = n = 1, тогда
  k  pv
(29)
И без учета начального износа
U   t  k  p  s
(30)
где, s - путь трения.
Из приведенной зависимости (30 ) видно, что износ не
зависит от скорости относительного скольжения, а определяется
величиной пути трения и давлением на поверхности трения.
94
Интенсивность изнашивания j определяется:
j
где,
h
r
h pn k o


r pф n
(31)
- отношение глубины внедрения единичной неровности к ее радиусу;
pn
pф
- отношение номинального давления к фактическому;
ko
- коэффициент распределения неровности по высоте;
n
- число циклов до разрушения поверхности.
Пределы изменения величины интенсивности изнашивания j от 1  10
7
до 1  10 18
95
Тема 7. Классы
износостойкости.
96
При проектировании изделий необходимо оценить
скорость процесса повреждения и в первую очередь
скорость изнашивания основных сопряжении. Большую
роль в этом должно играть применение классов
износостойкости, на которые целесообразно разбить весь
диапазон возможных скоростей изнашивания.
Назначение классов износостойкости при проектировании
машин, наряду с классами точности и шероховатости
поверхности, а также контроль износа и определение
действительного класса износостойкости в условиях
эксплуатации, позволит правильно оценить надежность
машины и применяемые мероприятия для ее повышения.
В настоящее время применяются первые попытки создать
классификацию материалов по скорости или интенсивности
их изнашивания. Предлагается ввести десять классов,
которые охватывают основной диапазон встречающихся в
машинах кинематических пар. Для расчета и
прогнозирования надежности необходимо знать скорость
протекания процесса, т.е. скорость изнашивания . Классы
износостойкости материалов кинематических пар от
97
скорости изнашивания приведены в таблице 6.
Таблица 6.
98
Базовая
длина - длина базовой линии l, длина линиии,
используемой для выделения неровностей.
Средняя линия - средняя линия профиля (m-на рисунке),
линия, имеющая форму номинального профиля, с
минимальным среднеквадратическим отклонением профиля,
от этой линии и отсчитывают все числовые значения для
шероховатости:
Ra - среднее арифметическое отклонение профиля
99
Rz - высота неровностей профиля
Класс
шерохова
тости
Базовая
длина l, мм
Ra
предпочт.,
мкм
Ra допустимые, мкм
Rz, мкм
1
8,0
50
80; 63; 40
320; 250; 200; 160
2
8,0
25
40; 32; 20
160; 125; 100; 80
3
8,0
12,5
20;16,0;10,0
80; 63; 50; 40
4
2,5
6,3
10,0;8,0;5,0
40; 32; 25; 20
5
2,5
3,2
5,0; 4,0; 2,5
20; 16; 12,5; 10,0
6
0,8
1,6
2,5; 2,0; 1,25
10,0; 8,0; 6,3
7
0,8
0,80
1,25; 1,00; 0,63
6,3; 5,0, 4,0; 3,2
8
0,8
0,40
0,63; 0,50; 0,32
3,2; 2,5; 2,0; 1,60
9
0,25
0,20
0,32; 0,25; 0,160
1,60; 1,25; 1,00; 0,80
10
0,25
0,10
0,160; 0,125; 0,080
0,80; 0,63; 0,50; 0,40
11
0,25
0,050
0,080; 0,063; 0,040
0,40; 0,32; 0,25; 0,20
12
0,25
0,025
0,040; 0,032; 0,020
0,20; 0,16; 0,125; 0,100
13
0,08
0,012
0,020; 0,016; 0,010
0,100; 0,080; 0,063; 0,050
14
0,08
0,012
0,010; 0,008
0,050; 0,040
100
Часто при оценке надежности машины необходимо определить,
к какому классу износостойкости относятся отдельные ее
сопряжения при учете всех условий эксплуатации. В этом случае
удобнее иметь классификацию, построенную на основе градации
скорости изнашивания γ (мкм/ч) по классам износостойкости.
В качестве основы классификации можно предложить такую
градацию скоростей изнашивания, в которой износ за
фиксированную продолжительность работы кинематической пары,
принятую равной Т = 100 ч, соизмерим с высотой неровностей
этой поверхности (по характеристике Ra или принадлежности к
данному классу шероховатости). Будем считать, что
принадлежность к данному классу износостойкости означает, что
износ за 100 ч. работы равен наименьшему значению Ra (мкм),
характерному для обработанной поверхности. Износ на величину
Ra означает полное исчезновение технологического и
образование эксплуатационного микрорельефа (см. рис. 4),
поэтому при назначении класса шероховатости исходной
поверхности можно регулировать длительность периода
микроприработки по отношению к фиксированному значению Т =
100 ч
101
Используя классификацию износостойкости материалов
по скорости изнашивания можно, при проектировании
автомобилей, рассчитывать ожидаемую долговечность
рабочих поверхностей деталей. Например: необходимо
определить срок работы детали до капитального ремонта, в
зависимости от качества обработанной поверхности.
Расчет проведем для кинематической пары цилиндрпоршень. Отверстие цилиндра имеет размер:  85+0.01,
принимаем величину износа ∆=0,01 мм. Предположим, что
класс шероховатости поверхности зеркала цилиндра
соответствует 10 кл , тогда скорость изнашивания
принимаем γ= 8·10-4 мкм/ч. Используя зависимость
времени износа

Ò

(32)
102
вычислим ожидаемую долговечность
рабочих поверхностей. Если принять
условие, что двигатель автомобиля
бесперебойно работает по 6 ч. в сутки, то
время работы двигателя до капитального
ремонта - шесть лет.
Проведенные расчеты показывают, что при
изменении класса шероховатости
поверхности с 6 по 11 и, а точности
обработки поверхности с 7 по 4 квалитет,
износостойкость поверхности увеличивается,
примерно, на порядок.
103
Порядок выбора и назначения квалитетов точности и
посадок
Квалитет — характеристика точности изготовления изделия,
определяющая значение допусков.
В ЕСДП предусмотрено 20 квалитетов, которые обозначают
арабскими цифрами (01; 0; 1; 2; ...; 18). С увеличением номера
квалитета точность понижается (допуск увеличивается).
Выбор
квалитета точности. Определение оптимальной
точности обработки и выбор квалитета точности часто
представляют собой сложную задачу. При произвольном
назначении необоснованно высокого квалитета с малыми
допусками увеличивается стоимость изготовления деталей.
При выборе более низкого квалитета точности стоимость
изготовления уменьшается, но снижаются надежность и
долговечность работы деталей в узле.
Для решения этой задачи необходимо учесть не только
характер посадки конкретного соединения и условия его
работы, но и рекомендации, учитывающие целесообразность
назначения того или иного квалитета и возможность
изготовления деталей необходимой точности.
104
Общее
представление о применении квалитетов в
соединениях машин и механизмов можно получить из
следующих примеров.
Квалитеты 5 и 6 применяются в особо точных соединениях,
таких как «поршневой палец — втулка верхней головки
шатуна двигателя автомобиля», «шейки коленчатого вала —
вкладыши подшипников» и т. п.
Квалитеты 7 и 8 применяются для соединений зубчатых
колес с валом, установки подшипников качения в корпус,
фрез на оправки и т. п.
Квалитеты 9 и 10 применяются в тех соединениях, где
требования к точности понижены, а к соосности и
центрированию они сравнительно высокие (например,
установка поршневого кольца в канавке поршня по высоте,
посадка звездочек на вал и т.д.).
Квалитеты 11 и 12 распространены в подвижных
соединениях сельскохозяйственных машин, в посадках часто
снимаемых деталей, не требующих высокой точности
центрирования, в сварных соединениях.
105
Тема 8. Нагрузки в машинах.
Полезные и вредные
нагрузки.
106
Нагрузки могут быть:
полезными - используются для совершения
производственного процесса;
вредными - неизбежно сопутствуют работе машины и в
основном складываются из динамических нагрузок и
местных или кромочных нагрузок, связанных с
концентрацией нагрузки по поверхности контакта.
- По характеру изменения во времени нагрузки в машинах
делятся на постоянные и переменные. Постоянные – это в
основном силы тяжести, нагрузки от начальной затяжки, от
постоянного давления жидкости и т.п. Влияние этих
нагрузок на надежность работы машин может проявляться
различно. Так, например, наблюдаются случаи разрыва
болтов, особенно малого диаметра, при затяжке,
выдавливания ямок на дорожках качения подшипников и
т.п. Переменность нагрузок в машинах может объясняться
неравномерностью рабочего процесса (поршневой привод,
как правило, обеспечивает холостой ход без нагрузки);
внутренней динамикой (пуск, торможение, реверсирование,
неуравновешенность, ошибки изготовления) и т.п.
107



Переменные нагрузки в большинстве своем бывают
нестандартными, то есть нагрузками с меняющимися
параметрами (в первую очередь с меняющейся амплитудой).
Подавляющее большинство машин работает при
нестационарных режимах, например, переменность нагрузок
автомобиля: загрузка автомобиля (с грузом, без груза); рельеф
местности (гора, равнина, под гору); вид и качество дорожного
покрытия (грунт, асфальт); разная скорость движения (разгон,
остановка); квалификация водителя. Каждый из этих факторов
может изменять нагрузку в несколько раз.
Машин, работающих с постоянными режимами нагружения,
очень мало. К ним можно отнести машины центральных и
насосных станций, транспортные машины при работе на
длинных линиях (автофургоны).
Для многих технологических машин известна обобщающая
информация о нагрузках и их распределении во времени. В
общем случае переменными являются как амплитуда нагрузок,
так и среднее значение нагрузок и напряжений. Разработаны
типовые методики получения данных об изменении действия
нагрузок во времени для различного типа машин. Часто для
этого используют самопишущие ваттметры, регистрирующие
время работы в каждой части диапазона мощностей.
108


Оценка закона распределения нагрузок во времени
представляет статистическую задачу. Например,
универсальные машины создают на
неопределенного потребителя и неизвестные
условия эксплуатации, кроме того, законы
распределения, изученные статистически на
действующих машинах, для новых машин могут
быть вероятностными. Порядок оценки
распределения нагрузок во времени работы
машины может быть следующим:
на основании результатов наблюдений строят
кривую относительного числа циклов нагружения
n/N как функцию нагрузки x=p/Pmax (рис. 6).
109
Рис. 6. Кривая относительного изменения нагрузки
.
110
Для вновь создаваемых машин эту функцию
можно рассматривать как плотность
вероятности (плотность распределения) f(x);
 затем строят функцию распределения F(x)
(рис. 7), причем функции F(x) и f(x) связаны
известным соотношением f(x)=F’(x). Функция
f(x) показывает вероятность работы с
каждым значением нагрузки, а площадь,
очерчиваемая кривой функции
распределения, равна единице

111
Рис. 7. Функция распределения
112


Распределение нагрузок для разных машин сводят
к четырем известным типовым, хорошо изученным
в математике кривым (рис. 8), которые определяют
следующие режимы работы: СР – средний
равновероятностный, T (или b-распределение –
тяжелый), С(н) – средний нормальный (Гауссово
распределение), Л (или g-распределение) – легкий.
Многочисленные исследования нагрузок,
возникающих при эксплуатации машин, позволяют
сделать следующий вывод: режим работы С(н)
характерен для большинства универсального
оборудования; режим СР – для более интенсивно
эксплуатируемого специализированного
оборудования; режим Т – для горного
оборудования.
113
Рис. 8. Типовые (расчетные) режимы работы машин.
Функция вероятности распределения нагрузок для каждого из них
известна. Так для кривой С(н) она равна:
1
F ( x) 
s 2


 x x  /2 S 2
e
2
dx
(33)

где: x = 0,5 X max, s = 0,2 X max.
114

Динамические нагрузки всегда возникают при работе
машины. Большинство машин работает в условиях
прерывистого рабочего процесса, и динамические нагрузки
неизбежно связаны с разгоном, торможением и
реверсированием. Все механизмы возвратнопоступательного и периодического движения (кривошипноползунные, кулисные) работают в динамическом режиме
нагрузок. Большинство динамических нагрузок возникает
из-за недостаточной уравновешенности
быстровращающихся деталей. Так, смещение на 0,1 мм
центра тяжести от оси вращения ротора, вращающегося со
скоростью n=3000 об/мин, приводит к возникновению
центробежной вращающейся силы, равной силе тяжести
ротора, действие которой многократно опаснее действия
самой силы тяжести. При вращении вала на подшипниках
скольжения возникает нестабильная работа (вал “плавает”,
возможны вибрации), а при установке валов на
подшипниках качения без натяга возникает
проскальзывание тел качения, повышается износ.
Некоторые машины, работающие в зарезонансной области,
при разгоне и остановке проходят резонансные зоны. 115

При зависимости момента на валу привода от частоты
вращения может возникнуть возрастание моментов при
прохождении через зоны резонансов, что необходимо
учитывать при расчете деталей на усталость. В прямозубых
передачах вход в зацепление вызывает ударные нагрузки,
определяемые упругостью зуба (упругая деформация и
погрешность основного шага). Кроме того,
знакопеременность силы трения при прохождении зуба
через полюс зацепления вызывает динамические нагрузки.
Динамическая неустойчивость ременных передач
объясняется биением шкивов, неоднородностью ремня,
крутильными колебаниями шкивов при малых скоростях
ремней. В валах с подшипниками качения переменная
жесткость подшипников по углу поворота может вызвать
вибрации. При расчетах колебаний приводов машин
необходимо учитывать упругость и демпфирование
электромагнитной связи между статором и ротором
приводного двигателя, так как электродвигатели
116
представляют собой мощные демпферы.
Тема 9. Методы снижения
нагрузок .
117





Статические нагрузки определяются силой веса
конструкции (машин), начальной затяжкой резьбовых
соединений, влиянием температурных деформаций.
Нагрузки от массовых сил естественно снижать
применением более прочных материалов, т.к. масса детали
пропорциональна квадрату допустимого напряжения.
Силы начальной затяжки резьбовых соединений
необходимо тщательно контролировать, используя
динамометрические и предельные ключи. Сложность
контроля состоит в том, что коэффициент трения
неодинаков, а зазор в резьбе при нагружении витков
меняется по высоте гайки. Поэтому использование
механизированных гайковертов как вариант повышает
надежность обеспечения статической нагрузки в резьбах.
Уменьшение действия динамических сил возможно путем
уменьшения внешнего возмущения, совершенствования
схемы машины и уменьшения действия внутренних
возмущений, применения антивибрационных устройств.
Рассмотрим некоторые примеры повышения надежности
машин уменьшением действия динамических нагрузок.118
Уменьшение внешнего воздействия
Наиболее универсальным приемом при конструировании
машин является применение привода с непрерывным
рабочим процессом, снижающим динамические нагрузки в
кинематических цепях. Например, переход от поршневого
привода к турбинному, от ковшовых экскаваторов к роторным.
Но не всегда схема машины должна быть подчинена только
идее снижения динамических нагрузок. Широко используются
в приводах исполнительных движений двигатели постоянного
тока, обеспечивающие плавный пуск машин. При
использовании асинхронных двигателей плавный пуск может
быть обеспечен за счет применения схем управления,
позволяющих переключать соединение обмоток двигателя со
“звезды” на “треугольник”.Совершенным средством плавного
пуска машин является использование фрикционных муфт
различного конструктивного исполнения. Однако при
мгновенном включении муфты перегрузки могут достигать
двойного номинального момента. Поэтому при
конструировании узлов используют муфты трения,
обеспечивающие плавность нарастания нагрузки при полном
включении муфты. Это требование выполняется в
119
механизмах сцепления автомобиля (рис. 9).
Уменьшение внешнего воздействия
Рис. 9. Схема механизма сцепления автомобиля
120
Совершенствование схемы машины (уменьшение
внутренних воздействий)
Внутренние возмущения от работы отдельных механизмов
уменьшают повышением точности изготовления и сборки
узлов, балансировкой вращающихся деталей,
фланкированием зубьев цилиндрических передач и
применением подшипников с большим числом тел качения.
Большое внимание уделяется снижению автоколебаний при
резании металлов путем использования опор с
ориентированными осями жесткости в шпиндельных опорах
металлорежущих станков. Значительна роль демпферов и
амортизаторов при снижении динамических нагрузок в
работающих машинах. На рис. 10 приведена схема
зацепления колес цилиндрической зубчатой передачи 5.
Уменьшение толщины зуба 3 при вершине 4
(фланкирование) обеспечивается корректировкой
межосевого расстояния А при нарезании зубьев на колесе 1
– червячной фрезой 2. Фланкирование зубьев снижает
динамические нагрузки до 30-45% и уровень шума на 3-4
децибела.
121
Совершенствование схемы машины
(уменьшение внутренних воздействий)
Рис. 10. Фланкирование зубьев колес
122


Увеличение тел качения в подшипниках
достигается заменой шариковых подшипников на
роликовые, а последних – на игольчатые.
На рис. 11 приведена схема резания при токарной
обработке наружной цилиндрической поверхности.
Толщина стружки t в основном определяет
величину силы P и ее ориентацию относительно
оси Z. Если создать в шпиндельной опоре
(передней) систему с явно выраженными
неравными жесткостями, то, ориентируя силу Р
под углом a относительно оси максимальной
жесткости C1 системы, можно добиться
безвибрационного резания, что снижает
динамическое нагружение на опору и повышает
качество обработки поверхности. Оптимальное
значение угла a лежит в пределах 5-8 градусов.123
Рис. 11. Упругая система с ориентированными осями
жесткости при резании
124
Схема стиральной машины типа СМА-4 показана на рис. 12. Стиральный
барабан 2 имеет горизонтальную ось вращения, поэтому, особенно при
отжиме белья, возникают значительные динамические нагрузки, которые
воспринимаются и снижаются пружинами 4 и амортизаторами 3.
Рис. 12. Схема стиральной машины-автомата типа СМА-4
125
В стиральных машинах-полуавтоматах (рис. 13) снижение
динамических нагрузок обеспечивается следующими
конструктивными изменениями. Активатор 2 имеет вертикальную
ось вращения и расположен на дне стирального бака, а отжимной
барабан 3 имеет вертикальную ось вращения, что обеспечивает
качественный отжим белья при сушке.
Рис. 13 Схема стиральной машины-полуавтомата 126
Применение специальных антивибрационных
устройств
Маховик, являясь аккумулятором энергии, повышает
равномерность
вращения
и
уменьшает
динамическое
воздействие
в
машине.
Эффективность
маховика
повышается
при
расположении его на быстроходном валу и вблизи
источника возмущения.
Рис. 14. Двухмассовая крутильная система
127



Пусть на маховик с моментом инерции действует
переменный момент М0sinωt. Если вал рассматриваем как
жесткий, то этот момент разделится между узлами системы
пропорционально их моментам инерции θ1 и θ2. Тогда
амплитуда переменного момента M1, который передается
машине, равна: M1=M0θ1/(θ1+θ2)
если маховика нет, то М1=М0; если θ1=θ2, то М1=0,5М0; если
увеличить θ2 до 3θ1 , то М1=0,25М0 и т.д. Следовательно,
увеличение массы маховика приводит к уменьшению
динамической нагрузки на машину.
Наряду с маховиками для уменьшения передачи
динамических нагрузок применяют инерционные массы,
например в молотах в виде шаботов и массивных
фундаментов. При резких ударных нагрузках введение
инерционных масс особенно эффективно.
128
Упругие муфты резко снижают динамические воздействия
в машине. В двухмассовой крутильной системе с упругой
муфтой (см. рис. 15) амплитуда переменного момента,
передаваемая через упругий элемент,
M1=M0 Q1 / (Q1+Q2),
(35)
где - коэффициент нарастания колебаний; для систем с
малым внутренним трением:
  1 /( /  ) 2  1
(36)
где ω, p - круговые частоты возмущающих сил и
крутильных колебаний системы.
129
Рис. 15. Двухмассовая крутильная система с упругой муфтой
При резонансе амплитуда передаваемого момента определится:
M1 = M0 Q1
 / (Q1+Q2).
(37)
При  = 1,0;  = 2π/  = 2π / 1,0 = 2π. Тогда при Q1 = Q2
M1 = M0 Q1 2π / 2Q1 3 M0.

130
Существенный
эффект от введения упругих муфт известен
также из практики. В тяжелых самосвалах благодаря муфтам
долговечность трансмиссии была повышена в несколько раз.
Упругие элементы в машинах обычно одновременно
выполняют функцию демпфирования колебаний. Энергия
рассеивается внутренним или внешним трением.
В первом случае для упругого элемента применяют
материалы с малым модулем упругости и с большим
внутренним трением, то есть резину или пластические массы
типа эластиков. Резины с повышенным демпфированием из
бутилкаучука (БК6, БК7). Элементы изготавливают простой
формы (муфты с неметаллическим упругим элементом,
резинометаллические виброизолирующие опоры).
Во втором случае упругий элемент выполняется
многослойным с большим трением между слоями:
пластинчатые рессоры, пакеты тарельчатых пружин и т.д.
Пластинчатые рессоры, применяемые в транспортных
машинах, рассеивают много энергии, но нередко из-за
фреттинг-коррозии пластины свариваются между собой.
Поэтому применение пластинчатых рессор сокращается.
131
Демпферы колебаний представляют устройства рассеивающие
энергию колебаний. Обычно они устанавливаются между
колеблющейся массой и корпусной деталью (или сейсмически
неподвижной массой) в местах максимальных амплитуд и
возможно ближе к источникам возмущений. В демпферах
создается сила трения направленная противоположно скорости
вредных колебаний и рассеивающая энергию колебаний. На рис.
16 показан демпфер Ланчестера.
Рис. 16. Демпфер сухого трения
132


Колебания маховика 1 демпфируются массой
колец 2 и 6, сила трения которых относительно
маховика 1 определяется коэффициентом трения
колодок 7 по маховику 1, а также усилием их
прижатия, регулируемым болтом 3 с шайбой 4 и
пружиной 5. Существует оптимальная сила затяжки
демпфера. При отсутствии затяжки силы трения
очень малы. При излишне большой силе затяжки
маховик колеблется вместе с валом, и силы
рассеивания энергии колебаний в демпфере
пропадают.
В демпферах вязкого трения обычно используют
силы сопротивления жидкости при протекании ее
через узкие щели или отверстия. Для
демпфирования поступательно перемещаемых
деталей используется демпфер поршневого типа
(рис. 17).
133
Рис. 17. Кинематическая пара цилиндр-поршень.
134


Поршень 1, связанный с колеблющейся деталью,
заставляет жидкость перетекать из одной полости
в другую через трубку с дросселем 3 или отверстие
в поршне. При этом возникают силы
сопротивления, уменьшающие амплитуду
колебаний или полностью их поглощающие.
К специальным антивибрационным устройствам
относятся виброизолирующие опоры
(виброопоры), основное назначение их связано с
уменьшением влияния колебаний оснований на
работу прецизионного оборудования.
Резинометаллическая виброопора показана на
рис. 18.
135
Рис. 18. Резинометаллическая виброопора
136

Она относится к так называемым
равночастотным опорам с нелинейной
характеристикой, обеспечивающим почти
одинаковую частоту собственных колебаний
машин разных масс. При установке машины
6 на виброопору регулирование
горизонтального уровня обеспечивается
винтом 9 и гайкой 10. После регулировки
машина фиксируется гайкой 8 с шайбой 7.
Прокладка 5 обеспечивает упор винту. Гайка
10 связана со скобой 4, которая винтами 3
крепится к корпусу 2. Резиновая тарелка 1
армирована металлическими пластинами.
137
Тема 10. Концентрация
нагрузки и пути ее
уменьшения.
138



Концентрация нагрузки отличается от концентрации
напряжения тем, что она возникает на поверхности
контакта и может вызываться упругими деформациями
детали, погрешностями изготовления, силами трения,
неравномерным износом.
Концентрация нагрузки является одной из решающих
причин снижения надежности и долговечности деталей
машин. В подавляющем большинстве случаев стремятся к
равномерному распределению нагрузки по поверхности
контакта, особенно если критерием работоспособности
является контактная прочность или износостойкость.
Концентрация нагрузки сохраняется на весь срок
эксплуатации в неподвижных соединениях и в
неприрабатывающихся подвижных сопряжениях. В
прирабатывающихся сопряжениях, работающих с
постоянным режимом, она снимается и не вводится в
расчет, если приработка завершается раньше, чем может
произойти повреждение. При работе с переменным
режимом происходит частичная приработка. В статически
определимых, в частности в самоустанавливающихся
139
системах, концентрация нагрузки отсутствует.


Концентрация нагрузки, вызываемая растяжением.
Такой вид нагружения возникает в резьбовых,
заклепочных и сварных соединениях.
Рассмотрим распределение нагрузки по виткам
резьбы. Равномерное распределение нагрузки
обеспечивается при очень точном изготовлении
резьбы по шагу и при условии, что податливость
витков резьбы много больше податливости винта и
гайки. На самом же деле податливость витков
соизмерима с податливостью винта и гайки. При
этом прогибы наиболее нагруженных нижних
витков (рис. 19) больше прогибов верхних витков
на сумму удлинения витков на участке
свинчивания и сжатия гайки.
140
Концентрация нагрузки, вызываемая растяжением
Такой вид нагружения возникает в резьбовых,
заклепочных и сварных соединениях.
Рис. 19. Деформация витков резьбы и распределение
141
нагрузки по виткам



Задача о распределении нагрузки по виткам была впервые
решена Н. Е. Жуковским, который показал, что при
взаимодействии крепежного винта с гайкой, имеющей 10
витков, первый, наиболее нагруженный виток воспринимает
34 % нагрузки, а десятый, наименее нагруженный, – менее
1 %.
Уменьшения концентрации нагрузки можно добиться
некоторыми конструкторскими решениями:
выполнением гайки, резьбовая часть которой полностью
или частично размещается в отверстии под опорной
поверхностью (рис. 20, а) или изготовлением гайки с
кольцевой выточкой (рис. 20, б). Такая выточка повышает
предел выносливости болта в 1,6 раза;
изготовлением угла профиля крепежной резьбы винта на 5
градусов больше угла профиля гайки (650 и 600 для
метрической и дюймовой резьбы соответственно) (рис. 20,
в). В этом случае витки гайки будут работать вершинами,
что увеличивает длину консоли и увеличивает податливость
витков и приводит к выравниванию нагрузки по длине гайки;
142
Рис. 20. Уменьшение концентрации напряжений
в резьбах.
143


выполнением отверстия в гайке слегка
коническим, что обеспечивает переменную
податливость витков (рис. 21, а). Витки
нагружают не по всей высоте, нагрузки
смещаются от заделки, и податливость
увеличивается – предел выносливости
винта повышается примерно на 20 %;
выполнением конической проточки с
поднутрением около 5 градусов (рис. 21, б).
Проточка охватывает только наиболее
нагруженные витки, что приводит к их
разгружению, и ресурс винта может
увеличиться на 85 %.
144
Рис. 21. Изменение конструкции гайки для снижения
концентрации нагрузки
145
Концентрация нагрузки при сжатии. Резкая концентрация нагрузки
возникает при сжатии двух тел по площади, если поверхность одного из
них выходит за контур контакта (см. рис.22 )
Рис. 22. Концентрация нагрузки у кромок при сжатии двух тел
по площади
146

Концентрацию давления у кромок можно
представить следующим образом.
Рассмотрим под поверхностью контакта
элементарные параллелепипеды (рис.22).
На каждый из них и на соседние передается
внешнее давление, которое заставляет их
деформироваться и проседать; только
крайние находятся в особых условиях, так
как их соседние элементы с одной стороны
не нагружены, поддерживают их и придают
им дополнительную жесткость. От этого
возникает пика давлений, которая
теоретически уходит в бесконечность.
147
Соединения с гарантированным натягом
являются наиболее характерным примером
возникновения пиков давлений у кромок
(рис. 23, а).
 В результате концентрации давления и
фретинг-коррозии усталостная прочность
валов резко снижается. Понижение
прочности вала от напрессовки может быть
полностью компенсировано комплексом
следующих мероприятий:

148
Рис. 23. Регулирование концентраций напряжений в
соединении с натягом
увеличением диаметра посадочной поверхности 1 вала
точно по длине ступицы на 5%, выполнением галтелей 2
большего радиуса R и их обкаткой, выполнением на
ступице разгрузочных канавок 3 (рис. 23, б).
149
Рис. 24. Изменение нагрузки по телам
качения опорных подшипников
Концентрация нагрузки от сжатия
характерна и для подшипников качения.
Если рассматривать подшипник качения,
нагруженный радиальной силой, то можно
отметить, что под действием нагрузки
кольца смещаются, причем тела качения
деформируются и нагружаются
неодинаково (рис. 24).
150



В этой постановке сближение рассматривается как
сжатие тел качения, а кольца условно считаются
жесткими. Сжатие тел качения в плоскости
нагружения максимально и равно смещению колец
δ (δ=y1). В беззазорном подшипнике сжатие шарика
или ролика под углом Q равно y2 = δ·cosQ. Исходя
из этого условия уравнения равновесия и
зависимости между нагрузкой на тело качения и
сближением колец определяют нагрузку на тело
качения:
для шарикоподшипников (беззазорных) нагрузка на
наиболее нагруженный шарик Р0=4,37 R/z, где R –
радиальная нагрузка на подшипник, z – число тел
качения (в реальном подшипнике Р0≈5 R/z);
для роликоподшипников Р0=4 R/z (в реальном
151
роликоподшипнике Р0≈4,6 R/z).

Распределение нагрузки (рис. 25) может
быть несколько улучшено эллиптической
расточкой отверстия под подшипник с
расположением большей оси вдоль нагрузки
(у В.А. Кудинова сила резания
ориентируется под углом b к оси
максимальной жесткости для снижения
автоколебаний при точении). О более
благоприятном распределении нагрузки на
шпиндельной опоре судят по изменению
величины “предельной” толщины стружки
при точении.
152
Рис. 25. Выполнение ориентированных осей жесткости в
опорах с подшипниками качения
153


Эффективного снижения уровня автоколебаний
при растачивании добиваются созданием
ортогональных осей жесткости в передней
шпиндельной опоре расточного станка. Для этого
овальным (в пределах допуска) выполняют
посадочное место внутреннего кольца
подшипника.
На рис. 26 показано изменение величины
“предельной” стружки tпр при различной
ориентации оси максимальной жесткости C1
относительно силы резания Pz. При обычном
исполнении шпиндельного узла tпр изменяется от
2 мм до 2,3 мм. У шпиндельного узла с
ориентированными осями жесткости tпр достигает
8 мм. Точность обработанных поверхностей на
латунных образцах не изменяется в сравнении с
обычными опорами, а чистота имеет тенденцию к
улучшению.
154
Рис. 26.
Зависимость
предельной стружки
от ориентации оси
максимальной
155
жесткости С1

Однако этот способ сложен технологически:
трудно выполнить эллиптическое
посадочное место. В целях изыскания
дополнительных средств повышения
виброустойчивости (надежности) при
растачивании были спроектированы
составные борштанги (нем . Bohrstange оправка для крепления сменных резцов при
обработке (расточке) отверстий на
токарных, сверлильных, расточных и других
станках) (рис. 27).
156
Рис. 27. Виброустойчивая барштанга.
157


К корпусу 1, укрепляемому в шпинделе расточного станка,
крепится резцедержка 3, соединяемая с корпусом
посредством резьбы и проставочного кольца 5 между
резцедержкой и корпусом. На проставочном кольце
выполняются симметричные относительно его оси скосы Б
и В, обеспечивающие создание явно выраженных осей
максимальной и минимальной жесткостей, собранной
оправки. Максимальная виброустойчивость обеспечивается
при примерном совпадении оси максимальной жесткости с
направлением действия силы резания (tпр увеличивается в
1,7 раза); оптимальным является отношение жесткостей
1,22.
Применение составных оправок увеличивает
технологические возможности при растачивании.
Например, при использовании составной оправки с l/d = 5
величина предельной стружки увеличивается в 4 раза по
сравнению с обычной оправкой. Точность и чистота
обработанной поверхности сохраняются по сравнению с
цельной оправкой, наблюдается тенденция к улучшению
чистоты обработанной поверхности.
158
Концентрация нагрузки, вызываемая изгибом . Такой вид
нагружения характерен для валов на опорах качения и
скольжения и зубчатых передач.
Рис. 28. Концентрация нагрузки в подшипниках скольжения
жидкостного трения
159
В опорах полужидкостного трения (рис. 29) давление резко
возрастает на кромках
Рис. 29. Концентрация нагрузки в подшипниках
полужидкостного трения
160
Исследование
характера распределения нагрузки в подшипниках
и разработка рекомендаций уменьшения концентрации нагрузки
являются сложной инженерной задачей. В ведущих
исследовательских машиностроительных институтах мира
разработан ряд рекомендаций:
применять узкие подшипники с малым отношением l/d, где: l –
длина, d – диаметр подшипника. Они повышают жесткость валов,
используют самоустанавливающиеся подшипники. В подшипниках
скольжения, изготавливаемых в габаритах подшипников качения,
l/d = 0,3…0,4, в подшипниках быстроходных поршневых двигателей
внутреннего сгорания l/d – 0,5…0,6, в подшипниках дизелей l/d –
0,6…0,9;
применять самоустанавливающиеся сферические опоры,
конструктивная схема которых показаны на рис. 30,а. Наиболее
совершенно использование сегментных подшипников с
самоустановкой в двух плоскостях. В качестве шарниров
сегментных подушек подшипников применяют: шаровые
фрикционные шарниры (рис. 30,б), упругие шарниры (рис. 31,а) и
шарниры качения (рис. 31,б);
подшипники скольжения особо ответственных валов (шпиндели
металлорежущих станков) пришабривают по валу в нагруженном
состоянии.
161
Рис. 30. Самоустанавливающиеся подшипники
162
Рис. 31. Самоустанавливающиеся сегментные
подшипники
163
•Деформация вала вызывает неравномерное распределение
нагрузки по длине ролика в роликоподшипниках, причем ролики
часто работают не по всей длине. Снижение нагрузок в
роликоподшипниках обеспечивают изготовлением рабочей
поверхности наружного кольца в виде гиперболоида вращения (рис.
32,а). Технологически это легко обеспечить, наклонив ось
шлифовального круга. Иногда для снижения кромочных давлений
по концам роликов их выполняют бомбинированными со стрелой
выпуклости 0,01-0,02 мм (рис. 32,б.) Это повышает ресурс
подшипников по данным ВНИ подшипниковой промышленности в 23 раза.
Рис. 32. Изменение конструкции роликоподшипников164
•Конструкции с двумя подшипниками качения в опоре валов
приводят из-за деформации валов к резко неравномерному
распределению нагрузки между подшипниками. Для
повышения несущей способности опоры применяют
радиально-упорные подшипники в компоновке, имитирующей
двухрядный самоустанавливающийся подшипник (рис. 33, а).
Иногда подшипники в опоре ставят вершинами конусов
контакта в разные стороны (рис. 33, б). При этом опоры как бы
раздвигаются, вал приобретает повышенную жесткость за
счет дополнительной нагрузки опор.
Рис. 33. Схемы установки сдвоенных подшипников в опоре
165
Тема 11. Факторы,
определяющие надежность
автомобильного
транспорта
166
Можно выделить ряд основных факторов,
которые условно делят на две группы:
- субъективные, которые во многом зависят
от деятельности человека (выбор схемного и
конструктивного решения при
проектировании машины, выбор элементов и
материалов, организация рациональной
системы ТР и ТО в период эксплуатации и
т.п.);
- объективные (неблагоприятные для работы
оборудования влияния внешней среды,
связанные с климатическими,
методологическими, биологическими, физикохимическими и другими воздействиями).
167


Кроме того, все факторы, влияющие на надежность, делят
на факторы, увеличивающие ее и уменьшающие. К первым,
повышающим безотказность и долговечность, относятся
выбор надежных элементов, резервирование, облегчение
режимов эксплуатации, теплозащита, герметизация,
виброизоляция, оптимизация схем и конструкций,
автоматизация контроля параметров. К параметрам,
снижающим надежность оборудования, можно отнести
объективные факторы (температуру, давление, радиацию,
старение, изнашивание) и субъективные (недоработки схем
и конструкций, неоптимальный режим работы, нарушение
технологии изготовления, нарушение правил эксплуатации).
Анализ работы оборудования показывает, что потеря
работоспособности является следствием одновременного
воздействия случайных, внезапных повреждений и
постепенных процессов изнашивания и старения деталей
оборудования.
168




Закономерности появления случайных отказов и
повреждений определяются методами теории вероятности
и математической статистики.
Закономерности, описывающие процессы изменения
свойств и состояния материалов в условиях их
эксплуатации, изучаются в разделах физики отказов.
Знание физических закономерностей процессов дает
возможность прогнозировать надежность деталей и более
точно оценивать надежность оборудования.
Физические закономерности процесса изнашивания
описываются конкретными законами. Но по причине
многообразия и переменчивости действующих факторов
эти зависимости приобретают вероятностный характер, и
поэтому при анализе изнашивания используется
математический аппарат теории вероятности и
математической статистики.
169
Пусть скорость некоторого процесса разрушения материала
зависит от ряда входящих параметров и времени, т.е.
dU

  ( x1 ; x2 ; x3 ... xn ; t )
dt
(38)
Здесь параметры xi
характеризуют условия эксплуатации,
состояния материала и другие факторы, влияющие на протекание
процесса разрушения, меняющиеся во времени.
Рис. 34. Диаграмма растяжения стальных деталей (образцов)
170
 При
работе машины происходят непредвиденные изменения и
колебания нагрузок, поэтому приведенная функциональная
зависимость приближенно отражает физическую сущность
процесса, но она может предсказать возможный ход процесса при
различных сочетаниях параметров.
 Существо проблемы надежности заключается, в конечном счете, в
изменчивости материалов и элементов во времени при заданных
условиях эксплуатации. Поэтому знание проблем надежности
связано с изучением представлений о процессах разрушения
материалов, их изменчивости во времени при заданных условиях
эксплуатации. Любой отказ возникает, как правило, в результате
постепенного накопления необратимых изменений в элементах
(кроме случаев непредвиденной концентрации нагрузок).
 Изучение влияния совместного действия силовых и физикохимических факторов, взаимодействия трущихся поверхностей с
учетом их геометрических и физических свойств и поверхностных
явлений в связи со смазкой и наличием ПАВ позволяет
полученные закономерности на субмикроскопическом уровне
распространить на всю рабочую поверхность. Полученные в
результате такого анализа физические закономерности
используются при оценке работоспособности оборудования и
разработке мероприятий по повышению его надежности.
171
 Для
чистых металлов, сплавов, полимеров, полупроводников и
других материалов экспериментально установлены зависимости
между напряжением s, температурой, временем t от момента
приложения постоянной механической нагрузки до разрушения.
Металлы и сплавы по-разному разрушаются в зависимости от
температуры: в низкотемпературной области, характеризующейся
большими напряжениями и сравнительно низкой температурой,
механизм разрушения определяется последовательным
разрушением атомных связей в кристаллической решетке; в
высокотемпературной, характеризуемой малыми напряжениями и
высокой температурой, механизм разрушения определяется
ростом трещин за счет сосредоточения вакансий.
 В процессе дальнейшего нагружения за счет сдвига материала
смежные трещины соединяются друг с другом до полного
разрушения. Рост трещин может происходить в две стадии:
медленный рост с увеличивающейся скоростью, быстрый рост с
постоянно предельной скоростью, близкой к скорости звука в
материале. На первой стадии разрыв связей происходит за счет
избытка кинетической энергии, накопленной атомами молекул. Ее
вероятность тем больше, чем выше температура и больше
напряжения у вершины трещины. Во второй стадии разрыв
определяется локальными напряжениями, близкими к
172
молекулярной прочности.
Рассмотрим влияние некоторых факторов на процесс
разрушения:
- характер изменения нагрузки и его влияние на
трещины. При медленном увеличении нагрузки
происходит упругая деформация, пластическое
течение материала и затем наступает резкое
упрочнение и разрыв (см. рис. 34).
173
- тепловое разрушение материалов в виде плавления или
испарения;
- старение материалов (объясняемое изменением их
физико-механических свойств, со временем, в условиях
длительного хранения и эксплуатации).
- при большой скорости нарастания механического
нагружения происходит хрупкое (без удлинения)
разрушение большинства материалов;
- наличие поверхностно-активных веществ в большинстве
случаев способствуют разрушению материалов.
Поверхностный слой металла из-за наличия в нем
свободных связей обладает большой активностью.
Поэтому любая внешняя поверхность твердого тела
покрыта всегда тончайшей пленкой вещества,
содержащегося в окружающей среде (газов, паров
жидкостей и других адсорбированных веществ).
Органические ПАВ имеют значительную по величине
дифильную молекулу, которая не может дифундировать в
кристаллическую решетку металла.
174
Поэтому их действие чисто поверхностное. Своей
карбоксильной группой молекулы ПАВ прочно
закрепляются на поверхности металла, образуя
монослой из плотно расположенных молекул. Пленка
может выдерживать давления до 1· 102 МПа. При этом
трение в подвижных сопряжениях происходит не между
поверхностями металлов, а между поверхностями
масляных пленок. В этом состоит защитное действие
смазок с ПАВ;
Все эти представления о следствиях и причинах
образования механических разрушений в материалах
необходимы для понимания изнашивания (основного
параметра, определяющего работоспособность
оборудования). Согласно ГОСТ 23.000-78 изнашивание процесс разрушения и отделения материала с
поверхности детали и (или) накопления его остаточной
деформации при трении, проявляющееся в постепенном
изменении размеров и (или) формы детали.
175
Тема 12. Выбор материалов
для деталей машин.
Общие технологические
требования к материалам.
176
Стоимость материалов составляет значительную часть стоимости
машин, особенно машин массового производства (с малой
трудоемкостью) и металлоемких, в частности стоимость материалов
в автомобилях в среднем составляет 65-70 % .
Марки материалов и их термообработка имеют решающее
значение для качества (особенно надежности и долговечности) и
экономичности машин. Современные машины с разнообразными
техническими параметрами невозможно создать, не используя
материалы с высокими характеристиками.
Большая часть деталей машин представляет собой кинематические
пары трения. Требования, предъявляемые к материалам, из которых
изготовлены элементы пар трения, в ряде случаев являются
взаимоисключающими. Единые требования к материалам,
используемым в подвижных сопряжениях, можно в известной мере
условно разделить на экономические, технологические,
эксплуатационные и гигиенические.
С экономической точки зрения применяемые материалы для
изготовления деталей, а также смазочные материалы должны быть
недефицитными и недорогостоящими. Технология изготовления
деталей из материалов должна быть достаточно простой. Замена
смазочного материала при эксплуатации узлов трения должна
производиться как можно реже или не производиться совсем.
177
Технологические требования: хорошая обрабатываемость
используемых материалов, создание шероховатостей
поверхностей трения, близких к равновесным, т.е.
обеспечение незначительного по длительности периода
приработки, сравнительная простота технологических
процессов при изготовлении деталей, разработка систем
эффективного контроля качества продукции.
В процессе эксплуатации конструкционные и смазочные
материалы должны обеспечивать стабильное значение
задаваемого в подвижном сопряжении коэффициента
трения, хорошую прирабатываемость, небольшой по
длительности период приработки, исключение схватывания
и задиров, высокую коррозионную стойкость и
износостойкость. Материалы должны обладать
соответствующими заданным условиям эксплуатации
механическими свойствами, чтобы хорошо воспринимать
нормальную нагрузку, и теплофизическими свойствами,
обеспечивающими работу в определенном тепловом
режиме. В некоторых случаях они должны обладать
хорошей демпфирующей способностью.
178
С точки зрения гигиены конструкционные и смазочные
материалы деталей машин в процессе эксплуатации
не должны образовывать веществ, вызывающих
загрязнение окружающей среды. При работе они не
должны разлагаться и выделять токсичные вещества и
неприятные запахи.
Таким образом, подбор материалов представляет
известные трудности. Удобно рассматривать
требования к материалам деталей в соответствии с
основными критериями их работоспособности, из
которых рассматриваются прочность, в том числе
контактная, жесткость и износостойкость.
179
Общие технологические требования
Обрабатываемость сталей режущим инструментом обычно
рассматривается с позиций скорости резания и шероховатости
поверхности. Для обычных конструкционных сталей при выборе
марок обрабатываемость не играет существенной роли.
Основной механической характеристикой, определяющей
скорость резания является действительный предел прочности,
отнесенный к площади сечения перед образованием шейки.
Скорость резания для автоматных сталей допускается на 20 %
выше, чем для среднеуглеродистых. Из легирующих элементов
более всего понижает допустимую скорость резания углерод, но
в пределах до 5% (дальнейшее увеличение не влияет), затем
кремний. Марганец и никель практически не влияют.
Наиболее неблагоприятны для обработки вязкие аустенитные
стали, тогда как при мартенситной структуре обработка
происходит вполне успешно. Стойкость инструментов
существенно понижается от неметаллических включений,
разброса твердости, твердой корки и т.д.
Обрабатываемость сталей существенно повышается добавкой
свинца в количестве сотых долей процента; в применении к
зубчатым колесам добавкой свинца удается многократно
180
повысить стойкость зуборезного инструмента.
Для ряда деталей с поверхностями эвольвентного профиля важны
материалы, имеющие высокую твердость (обычно после улучшения)
при возможности чистовой обработки металлическим инструментом.
К таким материалам из числа широко известных относятся
молибденовые стали. Применение таких материалов позволяет
отказаться от шлифования, которое иногда представляет большие
трудности, или даже неосуществимо.
Заслуживают внимания мартенситные стареющие стали.
Содержащие никель (10-20 %), кобальт и вольфрам, обладающие
после закалки низкой твердостью, что допускает обработку резанием.
Затем стали подвергаются старению при температуре около 5000 до
HRC около 55 с нулевыми или весьма малыми деформациями.
Одной из важных причин понижения надежности и долговечности
деталей машин являются шлифовочные прижоги и трещины. Опыты
на образцах из легированной стали показали, что прижоги снижают
предел выносливости при изгибе на 25 %, а трещины - в три раза. В
опытах на роликах из стали 12Х2Н4А шлифовочные прижоги с
понижением твердости с HRC 60...61 на 10 единиц уменьшают
контактную долговечность в 8 раз, а ограниченный предел
выносливости - на 25 %. Повышение теплостойкости стали приводит
к росту сопротивления шлифовочным прижогам, а следовательно,
надежности и долговечности деталей.
181
Очень большое значение имеют литейные свойства. Как правило, в
машинах толщины стенок литых деталей из технологических
соображений выбирают больше, чем оптимальные. Основным
критерием работоспособности большинства наиболее металлоемких
деталей - станин, плит и корпусных деталей - является жесткость.
Уменьшение толщины стенок может служить наиболее реальным
ресурсом экономии металла.
Детали сложных форм с многими ребрами и перегородками, как
известно, требуют литейных материалов. Масса станин, плит и других
корпусных деталей, изготовляемых литыми, в стационарных машинах
доходит до 80 - 85 %. Детали с тонкими стенками (листы, тонкостенные
трубы), длинные тонкостенные детали (балки, рельсы) и др. требуют
материалов, обрабатываемых давлением. Форма многих деталей
машин и условия их работоспособности дают возможность изготовлять
их как из литейных, так и из деформируемых материалов. Тогда
существенную роль играет экономический критерий.
Существенное значение имеет оптимальное расположение волокон.
Накатка зубьев, устраняющая перерезание волокон, повышает
прочность зубчатых колес на 15 - 20 % или в несколько раз ресурс.
Для листовой стали актуально установление тех дополнительных
характеристик, которые обеспечивают повышенную штампуемость.
В связи с широким распространением сварки в машиностроении
разработка новых сплавов должна сразу сопровождаться испытаниями
на свариваемость.
182




Требования к механическим характеристикам
материалов
Для работы при нормальной температуре и
атмосферном давлении к таким требованиям
следует отнести:
уменьшение рассеяния характеристик;
создание особо прочных материалов;
применение композитных материалов как
средства принципиального снижения
чувствительности материалов к концентрации
напряжений, а в дальнейшем использования
высокой естественной прочности монокристаллов,
широкое применение армированных конструкций;
обеспечение стабильности упругих свойств
материалов для упругих элементов и повышение
сопротивления холодной ползучести,
183





создание дешевых металлических материалов с
высоким модулем упругости, с хорошими
технологическими свойствами и стабильностью ( с
малыми вредными остаточными напряжениями в
деталях после их изготовления);
создание высокоизносостойких материалов с
твердостью выше твердости абразива для работы
в сильно абразивной среде с достаточной
толщиной упрочненного слоя;
создание антифрикционных и фрикционных
материалов для напряженных режимов с высоким
сопротивлением схватыванию. - общее
повышение прочности металлических материалов;
снижение чувствительности материалов к
концентрации напряжений (т.е. повышение
сопротивления распространению трещин);
создание особо прочных материалов;
184
 применение
композитных материалов как средства
принципиального снижения чувствительности материалов к
концентрации напряжений, а в дальнейшем использования
высокой естественной прочности монокристаллов, широкое
применение армированных конструкций;
 обеспечение стабильности упругих свойств материалов для
упругих элементов и повышение сопротивления холодной
ползучести,
 создание дешевых металлических материалов с высоким
модулем упругости, с хорошими технологическими свойствами и
стабильностью ( с малыми вредными остаточными напряжениями
в деталях после их изготовления);
 создание высокоизносостойких материалов с твердостью выше
твердости абразива для работы в сильно абразивной среде с
достаточной толщиной упрочненного слоя;
 создание антифрикционных и фрикционных материалов для
напряженных режимов с высоким сопротивлением схватыванию
 общее повышение прочности металлических материалов;
 снижение чувствительности материалов к концентрации
напряжений (т.е. повышение сопротивления распространению
трещин);
185
Материалы деталей машин, рассчитываемых по
критерию прочности и жесткости
Масса большинства деталей, рассчитываемых на
прочность по опасным сечениям, изменяется
пропорционально площади поперечного сечения. F,
которая, как правило, обратно пропорциональна
допускаемому напряжению [ ]. Так для деталей
работающих на растяжение
F
P
 
(39)
186
 Масса
деталей типа балок валов, работающих на изгиб или кручение,
при сохранении геометрического подобия сечения, обратно
пропорциональна допускаемому напряжению в степени 2/3.
 Масса деталей, рассчитываемых на контактную прочность (подшипников
качения, многих зубчатых колес и др.), обратно пропорциональна
квадрату допускаемого напряжения.
 Допускаемое напряжение, как известно, выбирают: при статической
нагрузке, в том числе при контактных напряжениях – пропорциональным
или близким к пропорциональному пределу текучести, а для хрупких
материалов – к пределу прочности; при циклических нагрузках –
пропорциональным пределу выносливости деталей; при контактных
нагружениях в условиях перекатывания – пропорциональным твердости
с учетом твердости подслоя.
 Отсюда очевидна выгодность изготовления деталей, подчиненных
критерию прочности, из материалов с высокими прочностными
характеристиками. Особенно это относится к деталям, рассчитываемым
на контактную прочность, к пружинам, к зубчатым колесам и другим
деталям простых конфигураций малых и средних размеров, у которых
меньше сказывается концентрация напряжений и масштабный фактор.
 Использование для машин материалов с повышенными механическими
характеристиками дает существенную экономию материалов, снижает
показатели металлоемкости и повышает технико-экономические
показатели машин.
187
 При
технико-экономическом анализе необходимо учитывать, что
понижение механических характеристик и соответственное
увеличение размеров одной детали или группы деталей неизбежно
влечет за собой увеличение размеров и массы других. Например,
следует считать принципиально неправильным применение зубчатых
колес средних и малых размеров низкой твердости. Зубья работают в
условиях, близких к условиям работы роликоподшипников, но нигде в
мире роликоподшипники не изготавливают твердостью ниже HRC 60.
Переход на изготовление редукторных зубчатых колес, закаленных до
высокой твердости, вместо улучшенных уменьшает массу редуктора
в три раза или многократно увеличивает долговечность. В
зарубежной печати был приведен пример уменьшения массы
редуктора в 8 раз при повышении твердости зубчатых колес от HB
200 до HB 600. Уменьшение массы редуктора на 1 кг, по
литературным данным, приводит к уменьшению массы всей машины
в среднем на 2,5 кг.
 Огромными возможностями обладает процесс легирования сталей
повышением прочностных, износовых и технологических свойств,
обеспечиваемых малыми добавками легирующих элементов.
Прочность современных высокопрочных легированных сталей более
чем в два раза выше прочности углеродистых сталей ( при
оптимальной термообработке). Вследствие плохой прокаливаемости
и сильного коробления детали из углеродистой стали обрабатывают
термически до значительно меньшей твердости, чем из
188
легированных.
 На
контактную прочность сталей легирование оказывает влияние в
основном через твердость и структуру поверхностного слоя после
закалки и через прочность сердцевины. При обеспечении надлежащей
твердости и структуры поверхностного слоя, а также прочности
сердцевины высоколегированные цементируемые стали могут быть
заменены низколегированными.
 Для повышения прочности чугуна весьма эффективно его
модифицирование добавкой в ковш небольшого количества
графитизирующих элементов (ферросилиция, силикокальция или
силикоалюминия). При этом обеспечивается сферическая форма
графита и резко снижается внутренняя концентрация напряжений.
Предел прочности при растяжении такого чугуна может быть поднят до
предела прочности средней углеродистой стали.
 К деталям, рассчитываемым по критерию жесткости (EF – жесткость,
здесь E – модуль упругости, F – площадь поперечного сечения),
относятся станины и корпусные детали большинства машин, в частности
станков, большинство валов коробок передач, шпиндели станков и
другие детали. Требования к материалам: высокий модуль упругости и
технологические свойства, обеспечивающие для станин и корпусных
деталей возможность применения тонкостенных конструкций
оптимальной формы с малыми остаточными напряжениями и
стабильностью в эксплуатации. Термическое упрочнение деталей,
подчиненных критерию жесткости, бесполезно, так как оно не повышает
модуля упругости материала E.
189
Тема13. Композиционные
материалы.
190
В настоящее время перспективы прогресса в
машиностроении, в основном связаны с разработкой и
широким применением композиционных материалов
(композитов).
Комбинирование различных веществ остается сегодня
одним из основных способов создания новых материалов.
Большинство современных конструкционных материалов
представляют собой композиции, например железобетонные
конструкции, стеклопластиковые баллоны давления,
автомобильные шины и т.п. Во всех случаях - это система
разных материалов, каждый из составляющих которой
имеет свое конкретное назначение применительно к
рассматриваемому готовому изделию. Ни резина, ни корд
автомобильной шины не могут выполнять своей функции
независимо, они используются совместно и должны
рассматриваться как единая композиция. Таким образом
композиционные материалы представляют собой
гетерофазные системы, полученные из двух или более
компонентов с сохранением индивидуальности каждого
отдельного компонента.
191
Композиционные
материалы делают с использованием “композитной”
технологии, которая родилась не вчера. В древней Греции мраморные
колонны укреплялись металлическими прутьями, а собор Василия
Блаженного, что в Москве, стоит на каменных плитах, скрепленных
железом. Так что парижанин Ж. Мотье, получивший в 1867 году патент на
железобетон, сам того не подозревая, шел по стопам древних.
Сегодня технологи научились вытягивать тончайшие нити из многих
веществ, даже из базальта. Их применяют для армирования бетона или
керамики – все той же глины. И получают материал прочнее стали,
которому нипочем тысячеградусные температуры. Его используют для
изготовления зубчатых колес, матриц пресс-форм и штампов, деталей и
узлов двигателей как автомобильных, так и ракетных.
Получать нити из стекла, камня или металла куда сложнее, чем, скажем,
из хлопка или шелка, хотя специалистам во многом помог опыт
текстильщиков, работающих с синтетическими волокнами. Такие нити не
прядут, а отливают. Расплавленный пластик пропускают сквозь тончайшие
отверстия фильеры, при выходе расплав застывает, образуя тончайшие
(микронные) нити из тугоплавких и износостойких материалов. Так, к
примеру, получают углеродные волокна – один из наиболее
распространенных материалов для получения композитов в наши дни.
Известна другая технология получения углеродных волокон, получившая
название метод выращивания “усов”. “Усами” специалисты называют
нитевидные структуры, которые образуются при направленной
кристаллизации расплавов. Молекулярный порядок в них почти
идеальный – отсюда и высочайшая прочность.
192
В
качестве наполнителей ПКМ используется множество различных
веществ.
 А) Стеклопластики – полимерные композиционные материалы,
армированные стеклянными волокнами, которые формуют из
расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего
применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные,
эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры
(полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают
достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими
электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для
радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй
мировой войны для изготовления антенных обтекателей –
куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора.
В первых армированных стеклопластиках количество волокон было
небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать
грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение
матрицы изменилось – она стала служить только для склеивания
прочных волокон между собой, содержание волокон во многих
стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором
в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных
волокон, называется стеклотекстолитом.
 Стеклопластики – достаточно дешевые материалы, их широко
используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике,
производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам
для современных стеклопакетов и т.п.
193
Б)
Углепластики – наполнителем в этих полимерных композитах
служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из
синтетических и природных волокон на основе целлюлозы,
сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков
и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в
три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и
графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон,
характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе)
углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья
полученное углеволокно имеет различную структуру. Для
изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и
для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и
термопластичные полимеры. Основными преимуществами
углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их
низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики
– очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные
волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент
линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят
электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области
их применения. Углепластики используются в авиации,
ракетостроении, машиностроении, производстве космической
техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких
велосипедов и другого спортивного инвентаря.
194
Структура
композиционных материалов. По структуре
композиты делятся на несколько основных классов:
волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные,
упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые
композиты армированы волокнами или нитевидными
кристаллами – кирпичи с соломой и папье-маше можно
отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое
содержание наполнителя в композитах такого типа приводит
к появлению качественно новых механических свойств
материала. Широко варьировать свойства материала
позволяет также изменение ориентации размера и
концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами
придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в
разных направлениях), а за счет добавки волокон
проводников можно придать материалу электропроводность
вдоль заданной оси.
195
На
основе углеродных волокон и углеродной матрицы
создают композиционные углеграфитовые материалы –
наиболее термостойкие композиционные материалы
(углеуглепластики), способные долго выдерживать в
инертных или восстановительных средах температуры до
3000° С. Существует несколько способов производства
подобных материалов. По одному из них углеродные волокна
пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая
затем действию высоких температур (2000° С), при этом
происходит пиролиз органических веществ и образуется
углерод. Чтобы материал был менее пористым и более
плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ
получения углеродного материала состоит в прокаливании
обычного графита при высоких температурах в атмосфере
метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при
пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита.
Плотность такого материала увеличивается по сравнению с
плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков
делают высокотемпературные узлы ракетной техники и
скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для
скоростных самолетов и многоразовых космических
196
кораблей, электротермическое оборудование.
Рис. 35. Детали конструкции автомобиля из композиционных полимерных
материалов
197
Композиционные
материалы на основе керамики.
Армирование керамических материалов волокнами, а также
металлическими и керамическими дисперсными частицами
позволяет получать высокопрочные композиты, однако,
ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики,
ограничен свойствами исходного материала. Часто используют
металлические волокна. Сопротивление растяжению растет
незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым
ударам – материал меньше растрескивается при нагревании, но
возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит
от соотношения коэффициентов термического расширения
матрицы и наполнителя.
Армирование керамики дисперсными металлическими частицами
приводит к новым материалам (керметам) с повышенной
стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с
повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных
керметов делают детали для газовых турбин, арматуру
электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые
износостойкие керметы используют для изготовления режущих
инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в
специальных областях техники – это тепловыделяющие элементы
атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные
198
материалы для тормозных устройств и т.д.
При создании композитов на основе металлов в качестве
матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д.
Наполнителем служат или высокопрочные волокна, или
тугоплавкие, не растворяющиеся в основном
металлочастицы различной дисперсности.
В композитах с металлической матрицей сочетаются
достоинства конструкционных металлических материалов с
достоинствами композитов вообще. Для них характерны
высокие значения прочностных характеристик, модулей
упругости, вязкости разрушения, ударной вязкости; эти
материалы сохраняют стабильность своих характеристик в
более широких температурных интервалах, чем материалы с
полимерными матрицами. введение в жаропрочный
хромоникелевый сплав тонкодисперсных порошков оксида
тория или оксида циркония позволяет увеличить температуру,
при которой изделия из этого сплава способны к длительной
работе, с 1000° С до 1200° С. Дисперсноупрочненные
металлические композиты получают, вводя порошок
наполнителя в расплавленный металл, или методами
порошковой металлургии.
199
 Армирование
металлов волокнами, нитевидными кристаллами,
проволокой значительно повышает как прочность, так и
жаростойкость металла. Например, сплавы алюминия,
армированные волокнами бора, можно эксплуатировать при
температурах до 450–500° С, вместо 250–300° С. Применяют
оксидные, боридные, карбидные, нитридные металлические
наполнители, углеродные волокна.
 В 1970-х появились первые материалы, армированные
нитевидными монокристаллами («усами»). Нитевидные кристаллы
получают, протягивая расплав через фильеры. Используются
«усы» оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и
кремния, нитридов алюминия и кремния и т.д. длиной 0,3–15 мм и
диаметром 1–30 мкм. Армирование «усами» позволяет
значительно увеличить прочность материала и повысить его
жаростойкость. Например, предел текучести композита из
серебра, содержащего 24% «усов» оксида алюминия, в 30 раз
превышает предел текучести серебра и в 2 раза – других
композиционных материалов на основе серебра. Армирование
«усами» оксида алюминия материалов на основе вольфрама и
молибдена вдвое увеличило их прочность при температуре 1650°
С, что позволяет использовать эти материалы для изготовления
сопел ракет.
200
Покажем порядок выполнения технологических операций при
получении композиционного материала с полимерной матрицей.
В качестве упрочнителя используются арамидные волокна типа
кевлар, которые вытягивают из синтетической смолы,
родственной нейлону (или капрону). Технология сложна:
- смолу (микромолекулы) растворяют в серной кислоте,
удаляют примеси и пузырьки воздуха, пропускают через
фильеру (нитеобразователь), затем нити направляют в
осадительную машину (для термообработки). Получаем
прочное и жесткое волокно;
- из нитей плетут ткани различного переплетения;
- готовят препрег (ткани арамидных волокон пропитанные
наполнителями и связующими);
- препрег раскраивают и помещают в «стапели» технологическую оснастку;
- «стапель» помещают в автоклав (вакуумную установку), и
в течении требуемого времени выдерживают при заданных
температуре и давлении; при этом формируются деталь и
сам композит, т.е. совмещаются производство детали и
материала.
201
Покажем свойства композиционных материалов на примере
углепластиков (упрочнитель - углеродные волокна, а матрица полимерная смола):
-
высокая прочность,
радиационная стойкость,
высокая плотность,
морозостойкость,
низкий коэффициент термического расширения,
химическая стойкость,
регулируемые электрофизические характеристики,
вибропрочность в 5 раз выше , чем у металлов,
низкая энергоемкость при производстве,
недостатки: высокая стоимость.
Углепластики находят применение от конструктивных элементов
деталей машин до медицинского оборудования. Так
использование композитов в самолете СУ-26М (до 50% детали из
углепластиков) привело к увеличению ресурса в 1,5...2 раза.
202
Рис. 36. Способы изготовления деталей из стеклопластика
203
Рис. 37. Клеевое соединение материалов из композиционных материалов
204
Экономическую эффективность применения композитов можно
представить из следующих рассуждений:
- разница по удельному весу в 4 раза по сравнению со сталью,
поэтому использование одной тонны стеклопластиков заменяет
4 тонны стали;
- при изготовлении деталей методами резания до 50%
материала идет в стружку, у композиционных материалов в
отход уходи до 10%, что также дает экономию примерно в 2 раза.
Следовательно 1 тонна стеклопластика экономит 8 тонн
выплавляемой стали;
- вибропрочность, коррозионная стойкость композитов выше
примерно в 2 раза, что делает их более долговечными.
В конечном итоге при правильной эксплуатации на 1 тонну
композитов приходится экономия 16...25 тонн выплавляемой стали.
Спрос на композиционные материалы растет. Так в странах
западной Европы в 1977 г. использовано 350 тыс. тонн композитов,
в 1986 г. - 1000 тыс. Тонн, а к 2000 г. планируется использование
2000 тыс. тонн. В перспективе использование так называемых
«интеллектуальных» композитов. Они более экономичны, чем
материалы получаемые металлургическими способами.
205
Тема14. Детали машин из
пластмасс.
206
В последние годы наблюдается такой быстрый рост производства
деталей из пластмасс, какого не знали никакие другие материалы. Этот
рост можно объяснить хорошими технологическими и многообразными их
полезными свойствами.
Технологические особенности пластмасс:
- отходы при изготовлении пластмассовых деталей примерно в 5
раз меньше, чем при изготовлении металлических, кроме того, они
обладают повышенной ремонтопригодностью;
- трудоемкость изготовления пластмассовых деталей
высокопроизводительными методами: литьем, прессованием
выдавливанием в 7...10 раз ниже, чем обработка металлических
деталей;
- ресурсы сырья для изготовления большинства пластмасс
считается практически неограниченными;
- применение 1 т пластмасс позволяет сэкономить 3...7 т стали
или цветных металлов;
- затраты на создание мощностей по производству пластмасс
значительно меньше, чем на производство металла, сроки освоения
значительно короче.
К технологическим недостаткам пластмасс относятся
невыгодность производства пластмассовых деталей малыми
партиями, так как при уменьшении серийности уменьшаются или
207
пропадают преимущества пластмасс по трудоемкости.
Эксплуатационные особенности пластмасс могут быть следующими;
- высокая удельная прочность, т.е. прочность на единицу массы,
поэтому особо прочные пластмассы являются весьма перспективным
материалом для быстровращающихся материалов: лопаток и колес
компрессоров, сепараторов быстроходных подшипников, быстроходных
шкивов;
- малая плотность, порядка 0,9...2,3 г/см2, т.е. в среднем пластмассы в
2 раза легче алюминия и в 5...8.раз легче черных и цветных металлов.
Внедрение пластмасс позволяет существенно понизить вес машины;
- прочность и жесткость пластмасс изменяются в широком диапазоне
от Е> 104 кг/см2 (жесткие пластики) до Е < 2· 102 кг/см2 (эластики,
напоминающие по своим свойствам мягкую резину).Большинство
пластмасс имеет средние характеристики прочности. Так предел
прочности при растяжении текстолита 8...10 кг/мм2, капрона 6...8 кг/м2,
винипласта 4...6 кг/мм2, волокнита 3...3,5 кг/м2, в то время как для
основной машиностроительной стали 45 он составляет 60 кг/мм2. Зато
стеклопласты могут иметь предел прочности 80...90 кг/м2,, капроновые
нити 40...70 кг/м2, и т.д. При сжатии и изгибе соотношения более выгодны
для пластмасс. Большой диапазон механических характеристик
пластмасс определяет широкие области их применения;
208
- высокая химическая стойкость характерна для всей этой
группы материалов, хотя, естественно, не в одинаковой степени.
Некоторые пластмассы отличаются непревзойденной
универсальной химической стойкостью (например, фторопласт
4). Применение пластмасс является эффективным средством
борьбы с коррозией. Пластмассы успешно используют в
химическом машиностроении для всех деталей, контактирующих
с агрессивными жидкостями, для сосудов, котлов, труб. Для
работы при высоких давлениях пластмассы применяют в виде
покрытий, изготавливают также бипластмассовые конструкции, у
которых внутренний слой обеспечивает необходимую
химическую стойкость, а наружный – механическую прочность;
- низкая электропроводность, высокие диэлектрические
свойства. Пластмассы сочетают электроизоляционные свойства
с конструкционными, что сильно повлияло на быстрый рост и
развитие промышленности пластмасс. Специальные пластмассы
обладают непревзойденными диэлектрическими свойствами, что
привело к широкому применению пластмасс в
электромашиностроении, электроаппаратостроении,
электронной, радиотехнической и особенно в
электроизоляционной промышленности. В частности
пластмассы применяют для изоляции кабелей и проводов, для
корпусов приборов и аппаратов, для электрощитов и т.д;
209
- высокие антифрикционные свойства, характерные для
многих пластмасс (фторопласт 4, полиамиды,
полиформальдегиды, слоистые пластмассы), обусловлены:
отсутствием химического сродства с металлами и
предотвращением заеданий; хорошей прирабатываемостью;
оптимальными условиями компенсации перекосов благодаря
малому модулю упругости; возможностью создания на
поверхности тонкого слоя пониженной прочности;
самосмазываемостью некоторых пластмасс; возможность
смазки водой или другой рабочей средой машины;
возможностью вмятия абразивных частиц; мягкими продуктами
износа. В ряде машин зафиксирована существенно повышенная
износостойкость антифрикционных пластмасс по сравнению с
бронзой. Вместе с тем в условиях жидкостного трения
пластмассы работают хуже, чем металлические материалы, что
связано с худшим теплоотводом и с тем, что жидкостное трение
в паре металл-пластмасса возникает при больших скоростях,
чем в парах металл-металл. В подшипниковых узлах
пластмассы применяются в качестве покрытий для пропитки и
изготовления вкладышей;
210
Фрикционные материалы относятся к весьма ответственным, так
как тормозные детали, как правило, обеспечивают безопасность
людей. В связи с ростом скорости машин требования к
фрикционным материалам непрерывно возрастают. Специальные
пластмассы и металлокерамические материалы являются
незаменимыми фрикционными материалами. Большинство
фрикционных материалов содержит асбест.
К материалам деталей фрикционных передач предъявляются
следующие требования: повышенный коэффициент трения во
избежание необходимости больших сил прижатия, достаточная
прочность и износостойкость, достаточный модуль упругости во
избежание увеличенной площадки контакта и повышенных потерь
на трение. Созданы специальные фрикционные пластмассы с
асбестовым или целлюлозным наполнителем, имеющие
коэффициент трения по стали 0,5 и выше. Эти пластмассы
принципиально улучшают работу фрикционных передач.
Одним их вариантов снижения шумности работы цепных передач
применяют пластмассовые цепные звездочки, что позволяет
повысить скорость цепных передач по критерию шума на 30%.
Для улучшения смазки шарниров цепей в них применяют
самосмазывающиеся полимерные материалы.
211

Подшипники качения. Пластмассовые материалы в
подшипниках качения используют для сепараторов и реже тел
качения. Пластмассовые сепараторы более технологичны,
имеют меньшую массу, способны адсорбировать масло и
поэтому имеют малый коэффициент трения и высокую
износостойкость. Их появление можно отнести к тридцатым
годам. Пластмассовые сепараторы применяют для
быстроходных подшипников взамен латунных, опыт
показывает большую износостойкость пластмасс по
сравнению с латунью в условиях сепараторов. Рекомендуются
литые сепараторы из полиамида, ведутся работы по литым
армированным сепараторам. Современные сепараторы не
требуют механической обработки. Разъемные сепараторы
склеивают. Полиамидные сепараторы могут быть
неразъемными, шары могут вводиться путем упругого
деформирования сепараторов.
Выполнение тел качения из пластмасс целесообразно:
- при восприятии больших ударных нагрузок;
- при особых требованиях к бесшумности работы;
- в специальных случаях (необходимости электроизоляции,
212
исключения искрообразования и т.д.).
Тема 15. Избирательный
перенос метала в узлах
трения машин.
213
Процессы, происходящие в зоне контакта твердых тел при
трении, образуют несколько стройных систем снижения износа и
трения, которые обеспечивают:
- образование тонкой пластичной металлической пленки на
трущихся поверхностях, защищающей основной металл от
износа;
- удержание продуктов износа в зоне трения;
- снижение давления в зоне контакта;
- образование защитной полимерной пленки из продуктов
деструкции смазочного материала.
В практике эксплуатации машин и оборудования с
избирательным переносом объясняется долголетняя работа без
ремонта трущихся кинематических пар мотор-компрессоров
домашних бытовых холодильников. Трущиеся стальные
поверхности поршня и блока цилиндра в процессе работы
самопроизвольно покрываются тонкой медной пленкой толщиной
около 1 мкм, образующейся в результате осаждения ионов меди
из смазочного материала. Эти ионы являются продуктом
взаимодействия смазочного материала (50% масла и 50%
фреона) с медными трубками охладителя .
214
Наиболее подходящим металлом для использования в
безизносных парах считается медь, так как она при
надлежащей смазке достаточно стойка против окисления
и не наклепывается, легко восстанавливается из окислов
и прочно адсорбирует смазку. Распространенная
фрикционная пара сталь-бронза. Смазочная среда
должна быть восстановительной по отношению к окислам
меди и окислительной к другим компонентам бронзы.
Оптимальной смазкой является глицерин, который,
действуя как слабая кислота, растворяет цинк, свинец,
железо. При этом поверхность обогащается медью и медь
переносится на сопряженную поверхность. Таким
образом, перенос является избирательным. Затем
процесс растворения прекращается и происходит
установившийся безокислительный процесс трения меди
по меди с весьма малым коэффициентом трения
(0,01…0,005). Прослойка меди сохраняется в состоянии,
способном к схватыванию с частицами износа. Если медь
не схватывается с сопряженной поверхностью, например
при покрытии ее электролитическим хромом, то частицы
износа схватываются с поверхностью бронзовой детали,
причем сохраняется тот же эффект.
215
Финишная антифрикционная безабразивная обработка
(ФАБО). Перенос металла при трении используется в
технологических процессах фрикционного латунирования,
бронзирования и меднения, используемых для
предотвращения схватывания. Установлено, что от
финишной обработки деталей зависит не только
первоначальный, приработочный износ, но и
установившийся износ, т.е. качество обработки детали
может оказать влияние на интенсивность изнашивания
при длительной эксплуатации машина. Как правило,
зеркало цилиндров двигателей внутреннего сгорания
автомобилей окончательно обрабатывается
хонингованием. Его проводят в несколько этапов для
обеспечения требуемой шероховатости и направленности
штрихов неровностей, которые создают наилучшее
условие удержания смазочного материала на зеркале
цилиндра.
216
Рис. 38. Приспособление для финишной безабразивной обработки
гильз цилиндров автомобилей.
217
ФАБО гильз цилиндров можно производить на токарном станке с
помощью приспособления показанного на рис. 38. Передняя часть
приспособления содержит головку 8 со стаканами 7 и 16. В разрезных
направляющих втулках 2 и 15 перемещаются два подвижных штока 6
и 12. Через систему рычагов усилие от подпружиненной тяги 9
передается на штоки, установленные в них прутки латуни или бронзы
4и 14 прижимаются к обрабатываемой поверхности 3 с давлением
порядка 80…120 МПа.
Рычаги 17 соединены шарнирно с крышкой 1 головки и вилкой тяги.
Самоустановка прутка латуни (или меди) в процессе работы
обеспечивает перемещение вилки 11 относительно болта10. По мере
износа прутки перемещаются в радиальном направлении в гайках 5 и
13 на 12 мм, что достаточно для обработки одним комплектом прутков
диаметром 4 мм нескольких гильз диаметром от 100 до 120 мм.
Обработка производится при вращении детали со скоростью около
0,6 м/с при продольной подаче 0,15…0,22 мм/об. После такой
обработки цилиндр двигателя как бы превращается в бронзовый,
коэффициент трения снижается в 2 раза. Известно, что 12%
мощности двигателя тратится на трение в деталях двигателя.
Половина этой мощности расходуется на трение между цилиндрами и
поршневыми кольцами. Если снизить коэффициент трения в 2 раза,
то мощность двигателя возрастет примерно на 3% без увеличения
расхода топлива.
218
Тема16. Методы определения
нормативов технической
эксплуатации автомобилей.
219


Под нормативом понимается количественный или
качественный показатель, используемый для
упорядочения процесса принятия и реализации
решений. Нормативы используются при определении
уровня работоспособности автомобилей и парка,
планировании объемов работ, определении
необходимого числа исполнителей, потребности в
производственной базе, в технологических расчетах.
К важнейшим нормативам технической эксплуатации
относятся периодичность ТО, ресурс изделия до
ремонта, трудоемкость ТО и ремонта, расход
запасных частей и эксплуатационных материалов.
Определение нормативов производится на основе
данных о надежности изделий, расходе материалов,
продолжительности и стоимости проведения работ ТО
и ремонта.
220
Классификация. По назначению нормативы подразделяются:
 на регламентирующие свойства изделия (надежность,
производительность, грузоподъемность, масса, габаритные
размеры и др.);
 регламентирующие состояние изделия (номинальные,
допустимые и предельные значения параметров технического
состояния) и материалов (плотность, вязкость и др.);
 регламентирующие ресурсное обеспечение (капиталовложения,
расход материалов, запасных частей, трудовых затрат);
 регламентирующие технологические требования, определяющие
порядок проведения операций и работ ТО и ремонта.
 По уровню нормативы подразделяются:
 на государственные (стандарты, нормы технологического
проектирования, нормы расхода запасных частей и др.);
 межотраслевые (Положение о ТО и ремонте подвижного состава
автомобильного транспорта и др.);
 отраслевые (типовые технологические и методические указания,
отраслевые стандарты и др.);
 внутриотраслевые и хозяйственные (нормативы качества ТО и
ремонта, стандарты предприятий и др.).
221
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧНОСТИ ТО
Определения. Периодичность ТО – это нормативная наработка
(в километрах пробега или часах работы) между двумя
последовательно проводимыми однородными работами ТО.
При проведении обслуживания применяются два основных
метода доведения изделия до требуемого технического
состояния:
при первом методе, обозначаемом условно I–1 (по наработке),
устанавливается определенная периодичность, в соответствии с
которой изделие восстанавливается до заданного технической
документацией
уровня
при
достижении
установленной
наработки;
при втором методе I–2 (по параметру технического состояния)
при заданной периодичности производится сначала контроль
технического состояния и затем принимается решение о
проведении предупредительных технических воздействий, т.е.
доведении технического состояния изделия до установленного
222
уровня.
Таким образом, в общем виде операция ТО состоит из двух
частей – контрольной и исполнительской. Это необходимо
учитывать при определении трудоемкости tп операции ТО:
tп  tк  ktи
где tк , tи – трудоемкость соответственно контрольной и
исполнительской частей профилактической операции; k –
коэффициент повторяемости.
При первом методе k = 1, а контрольная и исполнительская
части практически сливаются. При втором методе каждый
раз с установленной периодичностью выполняется контроль,
а исполнительская часть проводится в зависимости от
результатов контроля. Необходимо отметить, что в каждом
конкретном случае при втором методе k=0 или k=1.
Целесообразность использования того или иного способа
проведения ТО (с контролем или без него) определяется
соотношением затрат на устранение и предупреждение
отказов, на контрольную и исполнительскую части операции,
вариацией случайных величин и другими факторами.
223
Метод определения периодичности ТО по допустимому
уровню безотказности
Метод основан на выборе такой
периодичности, при которой
вероятность отказа Q элемента не
превышает заранее заданной
величины, называемой риском
(рис. 6.1).
Вероятность безотказной работы
P xi  l0  [ Р]   ,
f(x)
[P]=

Q
x
l0
x
Рис.6.1 К определению
периодичности ТО по
допустимому уровню
безотказности
x(l)

l0  x ,
т.е.
где xi – наработка на отказ; [P] –
допустимая вероятность
безотказной работы;   1  Q ;
l0 – периодичность ТО; xγ – гаммапроцентный ресурс. Для агрегатов
и механизмов, обеспечивающих
безопасность движения, [P]=
0,9...0,98, для прочих узлов и
агрегатов [P]=0,85...0,90.
224
Определенная таким образом периодичность значительно
меньше средней наработки на отказ (рис. 6.1) и связана с ней
следующим образом:
l0   x
где β – коэффициент рациональной периодичности,
учитывающей величину и характер вариации наработки на
отказ, а также принятую допустимую вероятность безотказной
работы (табл. 6.1).
Т а б л и ц а 6.1
Коэффициенты рациональной периодичности 
Допустимая
вероятность
безотказной работы [P]
Коэффициенты вариации ресурса
0,2
0,4
0,6
0,8
0,85
0,80
0,55
0,40
0,25
0.95
0,67
0,37
0,20
0,10
225
Метод
определения периодичности ТО по допустимому
значению и закономерности изменения параметра
технического состояния. Изменение определенного
параметра технического состояния у группы автомобилей
происходит по-разному (кривые 1–3, 5–7 на рис. 6.2). В
среднем для этой группы тенденция изменения параметра
характеризуется кривой 4. По ней, а также по допустимому
значению параметра yд можно определить среднюю
наработку , когда в среднем вся совокупность изделий
достигает допустимого значения параметра технического
состояния. Этой средней наработке соответствует
интенсивность изменения параметра . При этом те изделия,
у которых интенсивность изменения параметра технического
состояния оказалась выше средней (1, 2, 3), т.е. αi > а ,
достигают предельного состояния значительно раньше при
наработках х1, х2, х3, меньших . Следовательно, для этих
изделий при назначенной периодичности с вероятностью
Q4=0,5 будет зафиксирован отказ.
226
y
Q4
1
Q2
yд
2
4
3
5
6
7
yн
x2
x1
0
l0
x4
x3
l
x5
x(l )
Рис. 6.2. К определению периодичности ТО по допустимому
значению и закономерности изменения параметра
технического состояния изделия
227


Подобная система обслуживания является
нерациональной, поэтому назначают такую
периодичность l0 < , при которой вероятность
отказа не будет превышать заданной величины
риска, например Q = Q2.
Этот метод применяется для объектов с явно
фиксируемым изменением параметра технического
состояния. К ним относятся большинство
изнашиваемых узлов, механизмов и соединений,
техническое состояние которых поддерживается с
помощью регулировки (тормозной и клапанный
механизмы и др.). Для регулировочных работ
характерны значения , т.е. периодичность ТО будет
в 1,6...2,1 раза ниже средней.
228




Технико-экономический метод. Метод сводится к
определению суммарных удельных затрат на ТО и
ремонт и их минимизации. Минимальным затратам
соответствует оптимальная периодичность
технического обслуживания l0. При этом удельные
затраты на ТО
C1=d/l,
где l,d – периодичность ТО и стоимость
выполнения операции ТО соответственно.
При увеличении периодичности удельные затраты
на ТО значительно сокращаются. Увеличение
периодичности ТО, как правило, приводит к
сокращению ресурса детали или агрегата и росту
удельных затрат на ремонт:
C2=c/L,
где с – затраты на ремонт, L – ресурс до ремонта.
229
С
СI + CII
СII
СI
l0
l
Рис. 6.3. Определение периодичности
ТО технико-экономическим методом
Выражение u=C1+C2
является целевой функцией,
экстремальное значение
которой соответствует
оптимальному решению –
минимуму удельных затрат.
Определение минимума
целевой функции проводится
графически (рис. 6.3) или
аналитически, если известны
зависимости .
Если при назначении уровня
риска учитывать потери,
связанные с дорожными
происшествиями, то техникоэкономический метод
применим для определения
периодичности операций,
влияющих на безопасность
движения.
230
Экономико-вероятностный метод. Метод обобщает предыдущие
методы и учитывает экономические и вероятностные факторы, также
позволяет сравнивать различные стратегии поддержания и
восстановления работоспособности автомобиля. Как уже отмечалось,
одна из стратегий сводится к устранению неисправностей изделия по
мере их возникновения, т.е. по потребности. Преимуществом этой
стратегии является простота, недостатками – неопределенность
состояния изделия, которое может отказать в любое время;
затрудняются планирование и организация ТО и ремонта.
 Альтернативная стратегия предусматривает предупреждение отказов и
повреждений, восстановление исходного или близкого к нему состояния
изделия до того, как будет достигнуто предельное состояние. Эта
стратегия реализуется при предупредительном ТО, предупредительных
заменах деталей, узлов, механизмов и т.д.
Преимущества этой стратегии заключаются в следующем:
 1) может быть гарантирован определенный уровень надежности
изделия;
 2) разовые затраты на поддержание исправного состояния, как правило,
ниже, чем при отказе, который может сопровождаться дополнительными
потерями, связанными с оказанием помощи на линии из-за нарушения
транспортного процесса (вызов технической помощи, буксировка
отказавшего автомобиля, санкции при нарушении сроков или
расписания перевозок и т.д.);
 3) предупредительный характер этой стратегии создает условия для
231
плановой организации ТО и ремонта.

Метод статистических испытаний. Этот метод
основан на имитации (моделировании) реальных
случайных процессов ТО, что дает возможность
ускорить испытания, исключить влияние побочных
факторов, резко сократить стоимость
экспериментов, провести при необходимости
исследования с целью выбора наиболее пригодного
варианта. Моделирование может проводиться на
ЭВМ или вручную. Исходным материалом для
моделирования служат как фактические данные,
полученные при наблюдении, так и законы
распределения случайных величин.
Опыты повторяют многократно и получают оценку
вероятности отказа и профилактического
выполнения операции. Если при опытах вероятность
отказа оказалась больше заданной, то принимают
уменьшенную периодичность и повторяют серию
опытов.
232
ТРУДОЕМКОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И
РЕМОНТА
Трудоемкость представляет собой затраты труда на
выполнение операции или группы операций технического
обслуживания или ремонта, измеряемые в человеко-часах
или нормо-часах. Норматив трудоемкости необходим для
определения числа исполнителей и оплаты их труда за
фактически выполненную работу с учетом требуемой
квалификации рабочего (тарифной ставки).
Нормы. На автомобильном транспорте применяются
следующие нормы:
дифференцированные, устанавливаемые на отдельные
операции, с учетом их расчленения при необходимости на
переходы, приемы и трудовые движения;
укрупненные (или комплексные при бригадной форме
организации труда) – на группу операций или работ, вид
обслуживания и ремонта;
удельные, отнесенные к выполненной работе или наработке
(/1000 км пробега автомобиля).
233




К важнейшим нормативам технической эксплуатации
относятся периодичность ТО, ресурс изделия до ремонта,
трудоемкость ТО и ремонта, расход запасных частей и
эксплуатационных материалов. Определение нормативов
производится на основе данных о надежности изделий,
расходе материалов, продолжительности и стоимости
проведения работ ТО и ремонта.
При проведении технического обслуживания применяются
два основных метода доведения изделия до требуемого
технического состояния:
по наработке: устанавливается определенная
периодичность, в соответствии с которой изделие
восстанавливается до заданного технической
документацией уровня при достижении установленной
наработки;
по параметру технического состояния: при заданной
периодичности производится сначала контроль
технического состояния и затем принимается решение о
проведении предупредительных технических воздействий,
т.е. доведении технического состояния изделия до
234
установленного уровня.



Для определения периодичности ТО применяются: метод
по допустимому уровню безотказности; метод по
допустимому значению и закономерности изменения
параметра технического состояния; технико-экономический
метод; экономико-вероятностный метод; метод
статистических испытаний.
Норма трудоемкости ТО и ремонта складывается из
времени на выполнение подготовительно-заключительных
и оперативных работ, работ по обслуживанию рабочего
места, а также перерывов на отдых и личные надобности.
Для определения норм расхода запасных частей
необходимы сведения по надежности деталей,
интенсивности эксплуатации и сроку службы автомобиля до
списания. Оценка норм расхода запасных частей
проводится: по ресурсу до 1-й замены; по числу замен
детали за срок службы автомобиля; по числу замен с
учетом вариации ресурса детали.
235
ОСНОВЫ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И
РЕМОНТА
Назначение системы. Знание количественных и
качественных характеристик закономерностей изменения
технического состояния узлов, агрегатов и автомобиля в
целом позволяет управлять работоспособностью и
техническим состоянием автомобиля в процессе
эксплуатации, т.е. поддерживать и восстанавливать его
работоспособность. Эти работы подразделяются на две
большие группы – техническое обслуживание (ТО) и ремонт.
Задача ТО состоит главным образом в предупреждении
возникновения отказов и неисправностей, а ремонта – в их
устранении (восстановлении работоспособности).
Предупреждение отказов и неисправностей требует
регламентации ТО, т.е. регулярного (по плану) выполнения
определенных операций ТО с установленными
периодичностью и трудоемкостью. Перечень выполняемых
операций, их периодичность и трудоемкость в целом
составляют режим технического обслуживания.
236
В
нашей стране при проведении ТО и ремонта автомобилей
применяется плановая система. Она представляет собой систему
которая состоит из комплекса взаимосвязанных положений и
норм, определяющих порядок проведения работ по ТО и ремонту
с целью обеспечения заданных показателей качества автомобиля
в процессе эксплуатации.
К системе ТО и ремонта предъявляется ряд требований:
 обеспечение заданных уровней эксплуатационной надежности
автомобильного парка при рациональных материальных и
трудовых затратах;
 планово-нормативный характер, позволяющий планировать и
организовывать ТО и ремонт на всех уровнях – с рабочего места
на АТП до государственных плановых и директивных органов;
 обязательность для всех организаций и предприятий, владеющих
автомобильным транспортом, вне зависимости от их
ведомственной подчиненности (за исключением организаций
Министерства обороны, МВД и т.п.);
 учет разнообразия условий эксплуатации автомобилей и др.
 Принципиальные основы организации и нормативы ТО и ремонта
регламентируются в нашей стране Положением о техническом
обслуживании и ремонте подвижного состава автомобильного
237
транспорта.
Виды ТО. Действующая в стране система предусматривает
следующие виды ТО, отличающиеся по периодичности
(табл. 7.2), перечню и трудоемкости выполненных работ:
ежедневное техническое обслуживание (ЕО); первое
техническое обслуживание (ТО-1), второе техническое
обслуживание (ТО-2); сезонное обслуживание (СО).
Т а б л и ц а 7.2
Периодичность ТО автомобилей (I категория условий
эксплуатации)
Автомобили
Периодичность, тыс. км
ТО-1
ТО-2
Легковые
4,0
16,0
Автобусы
3,5
14,0
Грузовые и автобусы на базе
грузовых автомобилей
3,0
12,0
238
ПОЛОЖЕНИЕ О ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ И
РЕМОНТЕ



Этот документ является основополагающим нормативным
документом по ТО и ремонту автомобилей, на основе которого
производятся планирование и организация ТО и ремонта,
определяются ресурсы, проектируются АТП и разрабатывается
ряд производных нормативно-технологических документов. Для
оперативного учета изменений конструкций автомобилей и
условий эксплуатации в Положении предусматриваются две
части.
Первая часть, содержащая основы технического обслуживания
и ремонта автомобилей, определяет систему и техническую
политику по данным вопросам на автомобильном транспорте. В
первой части устанавливаются: система и виды ТО и ремонта, а
также исходные нормативы, регламентирующие их;
классификация условий эксплуатации и методы корректирования
нормативов; принципы организации производства ТО и ремонта
на АТП; типовые перечни операций ТО и другие материалы.
Вторая часть включает конкретные нормативы по каждой
базовой модели и по ее модификациям. Разрабатывается эта
часть с периодичностью 3...5 лет в виде отдельных приложений к
первой части.
239


При ресурсном виде корректирования учитываются
следующие пять основных факторов: категория условий
эксплуатации (K1), модификация подвижного состава и
особенности организации его работ (K2), природноклиматические условия (K3), изменение трудоемкости ТР
автомобилей в ремонте в зависимости от пробега автомобиля
с начала эксплуатации (K4), уровень концентрации подвижного
состава (K5). Результирующий коэффициент корректирования
нормативов получается перемножением соответствующих
коэффициентов, причем результирующие коэффициенты
корректирования периодичности ТО и пробега до КР должны
быть не меньше 0,5.
Основным методом оперативного корректирования является
совместный анализ фактически выполняемых на данном АТП
операций ТО, диагностирования и возникающей при этом
потребности в работах ТР. Целесообразность
корректирования оценивается технико-экономическим
методом. Учитываются периодичность вида ТО lТО, наработка
на случай текущего ремонта lт и ее вариация v, а также
240
коэффициент относительных затрат kп (табл. 7.7).
ОСНОВЫ
РАБОТОСПОСОБНОСТИ
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
F x 
F x 
1
F x  F x 
2
3
F x 
4
F x 
1
2
F x 
1
1
 x 
F x 
1
2
F x 
1
1
 F 2 x 2 
x
1
x
x, l
2

F x 
F x 
2
2
1
2
Кандидат технических
наук, доцент
Пресняков В.А.
Каф. СТЭА
2008-2009 уч. год.