Календарная продолжительность эксплуатации автомобиля до наступления ремонтного состояния

МЕТОДИКА
РАСЧЕТНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ
АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

УТВЕРЖДЕНО распоряжением Министерства транспорта РФ 18.04.2001 г. N 79-р

РЕКОМЕНДОВАНО к применению

Вводится в действие с момента опубликования

Настоящая методика позволяет определять расчетом или принимать предельные сроки службы железобетонных пролетных строений на разных этапах их функционирования.

При анализе технико-экономических показателей мостов или установлении приоритета капитальных вложений в будущие сооружения, срок службы этих сооружений принимается по нормативным показателям, полученным статистическим путем на основании обработанных данных о фактическом состоянии (износе) более чем 3000 пролетных строений.

На стадии проектирования рассчитывается проектный срок службы моста, с конкретными характеристиками материалов для пролетных строений. При определении проектного срока службы учитывается ориентация сооружения, интенсивность движения на проектируемом участке, климатический район, принятые характеристики бетона и арматуры и размеры сечений. Представляется возможным проектирование сооружения с любым заданным сроком службы.

На стадии строительства определяется прогнозируемый срок службы реально построенного пролетного строения с учетом реальных параметров материалов, дефектов изготовления конструкций и отступлений от требуемой технологии. Расчеты выполняются по предельным состояниям, оговоренным в СНиП 2.05.03-84*, используя фактические прочностные характеристики материалов и учитывая величины дополнительных напряжений в бетоне, обусловленных технологическими отступлениями.

Методика расчетного прогнозирования срока службы учитывает требования действующего СНиП 2.05.03-84* по расчету железобетонных пролетных строений автодорожных мостов. Методика включает лишь часть, хотя и большую, расчетных моделей, для которых СНиПом определяются конкретные требования.

Приведенные расчетные модели и критерии отказа дают максимальное представление о процессе накопления повреждений в материалах и конструкциях и отражают результаты исследований материалов и конструкций, а также результаты исследований, проведенных большим числом специалистов в области надежности, долговечности и оценки состояния мостовых сооружений. Данная Методика в основном касается балочных конструкций, хотя может быть использована, с определенными уточнениями, для прогнозирования срока службы железобетонных пролетных строений иных статических схем или конструкций, железобетонных опор, железобетонной плиты сталежелезобетонных пролетных строений.

Методика предназначена для использования проектными и научно-исследовательскими организациями, а также органами управления эксплуатацией мостовых сооружений.

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Свойство сооружения сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции. Надежность сооружения обусловливается его безотказностью и долговечностью

Способностью пролетного строения выполнять требуемые функции является способность обеспечивать безопасные условия движения (с определенной вероятностью) расчетных транспортных средств в течение нормативного или заданного срока службы

Срок службы (ресурс)

Календарная продолжительность эксплуатации или ее возобновление после ремонта сооружения до перехода его в предельное состояние (момент снятия с эксплуатации)

Переход пролетного строения в предельное состояние определяется по одному или нескольким элементам (балка, плита) с учетом возможного снижения вероятности безотказной работы

Свойство сооружения непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени

Работоспособность (работоспособное состояние)

Состояние объекта, при котором значение всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствует предъявляемым требованиям

К пролетным строениям предъявляются требования нормативно-технической (СНиП 2.05.03-84*) и проектной документации. При этом учитывается, что вероятность их безотказной работы может снижаться из-за деградационного отказа

Событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния

При наступлении отказа прекращается эксплуатация пролетного строения (выполняется ремонт) или изменяются условия эксплуатации (по массе транспортных средств и условиям их движения)

Отказ, обусловленный естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил проектирования, изготовления и эксплуатации

Характеризуется моментом снижения показателя вероятности безотказной работы до установленного предела

Вероятность безотказной работы

Вероятность того, что, в пределах заданной наработки, отказ объекта не возникает

В качестве предельного значения показателя вероятности безотказной работы принят показатель =0,9 (квантиль 1,282).

Вероятность безотказной работы пролетного строения, введенного с требованиями СНиП, на уровне =-0,9986 (квантиль 3,0)

Наработка до отказа

Календарная продолжительность эксплуатации сооружения до возникновения отказа

Продолжительность эксплуатации пролетного строения до допустимого снижения показателя

Процесс перевода объекта в работоспособное состояние из неработоспособного состояния

Восстановление первоначальных функций пролетного строения, имеющего вероятность безотказной работы не ниже =0,9986

Свойство сооружения, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта

Пролетное строение считается неремонтопригодным, когда достигается предельный износ

Остаточный ресурс (остаточный срок службы)

Календарная продолжительность эксплуатации сооружения от момента контроля его технического состояния (идентификации) до перехода в предельное состояние

Состояние, при котором дальнейшая эксплуатация сооружения недопустима или нецелесообразна

Предельное состояние пролетного строения наступает при достижении износа, при котором сооружение либо закрывается на ремонт, либо продолжается временная его эксплуатация с иными условиями нагружения

Нормативный срок службы

Минимальная календарная продолжительность эксплуатации, установленная нормативными документами

Износ пролетного строения в такой степени, при которой его восстановление становится экономически нецелесообразным

ВВЕДЕНИЕ

К производственным факторам относятся:

— качество конструктивных решений;

— уровень и качество изготовления и монтажа конструкций;

— гравитационные силы и силы трения, возникающие как от временной, так и от постоянной нагрузки;

— инерционные, центробежные усилия от временной нагрузки и др.

К факторам окружающей среды относятся:

— сейсмические силы, характер и режим их воздействия;

— физико-химические процессы, протекающие в материалах при изготовлении и эксплуатации;

— агрессивность воздушной и водной среды и др.

Допущенные при изготовлении и монтаже дефекты и повреждения, развиваясь в процессе эксплуатации, снижают работоспособность конструкции. Постепенное «старение» железобетонной конструкции и потеря его нормируемых качеств, вследствие необратимого накопления разного рода повреждений, проявляется в деградации структуры, снижении прочности бетона и образовании разного рода трещин. Начало и развитие этого процесса обусловлено большим, трудно обозримым количеством комбинаций воздействия вышеперечисленных факторов на элементы сооружения. Важнейшими из них являются: многократно повторяющиеся воздействия временных нагрузок, «отжимающих» (снижающих) запас релаксационных пластических свойств бетона, попеременное замораживание и оттаивание водонасыщенных зон конструкции, сезонные и суточные перепады температур воздуха, разного рода процессы коррозии, протекающие в бетоне вследствие карбонизации, капиллярной усадки, выщелачивания агрессивной влагой (с солями) цементного раствора и др.

Ухудшение эксплуатационных качеств конструкции проявляется также в снижении прочности бетона и уменьшении площади поперечных сечений бетонных элементов и арматурной стали в результате повреждения коррозией. Развитие таких повреждений, помимо прямого снижения несущей способности, может привести к потере сцепления арматуры с бетоном и, соответственно, к изменению расчетной статической схемы конструкции, увеличению прогибов и опасному дополнительному раскрытию трещин. Такой медленно протекающий процесс деградации, снижающий работоспособность конструктивных элементов сооружения, поддается наблюдению, расчетной оценке и может быть приостановлен. Расчетную работоспособность конструкции можно восстановить путем ремонта и усиления.

В настоящее время, в соответствии с нормами (СНиП, ГОСТ), методика контроля предупреждения усталостных процессов регламентирована только расчетом на выносливость, причем, по очень примитивной, далекой от реальной жизни сооружения модели воздействий временных нагрузок. Эта модель односторонне и приблизительно отражает процесс потери конструкцией ее свойств за условный период времени (порядка 80-100 лет). Представляется, что на достигнутом уровне понимания и проработки проблемы долговечности строительных материалов и конструкций, предлагаемая методология расчетного контроля срока службы, являясь интегральным инструментом оценки долговечности, способна значительно лучше оценить эффективность работы конструкции под всеми видами нагрузок и воздействий в течение установленного или требуемого времени ее эксплуатации.

Итак, методология расчетного контроля долговечности искусственных сооружений, в сочетании с грамотной и целенаправленной диагностикой позволяет:

— «перевооружить» всю систему эксплуатации мостов, для которой в настоящее время содержание, характер ремонта, межремонтные сроки, режим пропуска нагрузок устанавливаются на основании субъективных экспертных оценок опасных состояний;

— упорядочить экономические оценки мероприятий по поддержанию безопасного уровня эксплуатации мостов;

— планировать очередность и виды ремонтных работ, обеспечивая разумное распределение финансовых и материальных ресурсов в условиях жестких ограничений и малых возможностей служб эксплуатации.

Ожидаемая технико-экономическая эффективность предлагаемого подхода к расчетной оценке сроков службы железобетонных конструкций видится в следующем:

1. С определенной вероятностью может быть дана количественная оценка времени безопасной эксплуатации конструкции.

2. Опираясь на научно обоснованный анализ фактических данных о реальном поведении конструкции, возможен прогноз момента наступления разного рода отказов конструкции под нагрузками.

3. Пользуясь расчетным прогнозом (с учетом фактического состояния), можно оценивать запасы прочности и надежности для любого момента времени.

4. В период эксплуатации можно контролировать напряженное состояние и развитие деструктивных процессов, предупреждая аварийное состояние конструкции.

5. Открывается возможность корректировки и уточнения срока службы в ситуациях, когда изменяется режим эксплуатации сооружения (величина и цикличность временных нагрузок, динамические параметры и др.), а также обоснованно допускаемого увеличения интенсивности временных нагрузок, повышения скорости движения, но с учетом состояния конструкции по диагностическим данным, с расчетом и установкой уменьшенного, по сравнению с проектным, срока службы, т.е. обоснованного регулирования долговечности сооружения.

6. Предоставляется возможность обоснованного планирования сроков профилактических работ, а также межремонтных сроков.

7. Возможно определение режимов дальнейшей эксплуатации конструкции и прогноза ее срока службы после ремонта и реконструкции.

Во избежание чрезмерных ожиданий успеха от реализации предлагаемой Методики, следует понимать, что при существующем уровне знаний поведения железобетонных конструкций в эксплуатации, достоверность длительного (до 100 лет) прогноза срока службы таких капитальных сооружений как мосты, еще недостаточно высока. Здесь необходим целенаправленный и значительно больший объем информации о поведении мостовых сооружений в эксплуатации, чем, например, при оценке ресурса меньших механизмов. В последнем случае ресурс до наработки до отказа на порядок меньше, а информации о времени фактического износа меньших механизмов неизмеримо больше. Ожидать реального успеха от реализации предлагаемой Методики можно лишь при условии, что будут созданы и освоены автоматизированные расчетные комплексы, действующие совместно с банком данных, содержащим необходимый объем статистической информации о многочисленных видах «заболеваний» железобетонных мостовых конструкций в процессе эксплуатации.

Учитывая изложенное, «Росавтодор» поручил трем научным коллективам подготовить расчетную методику, которая давала бы возможность максимально приблизиться к поставленным целям и достичь упомянутых результатов. Настоящая Методика предполагает, что все необходимые расчеты будут выполняться с использованием расчетных комплексов, учитывающих различные исходные статистические параметры сооружений и позволяющих вести вычисления в диалоговом режиме. Разработчики располагают такими программами к ПЭВМ, построенными на базе требований СНиП 2.05.03.84* [1], которые могут оказать помощь в создании аналогичных комплексов в проектных организациях и дирекциях автомобильных дорог.

В разработке методики участвовали научные коллективы:

Источник

ГОСТ Р 27.002-2009 Надёжность в технике. Термины и определения

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает термины и определения понятий в области надежности в технике.

Термины, устанавливаемые настоящим стандартом, рекомендуются для применения во всех видах документации и литературы в области надежности в технике, входящих в сферу работ по стандартизации и (или) использующих результаты этих работ.

2 Термины и определения

Общие понятия

1 Примерами изделий могут быть система, подсистема, оборудование, устройство, аппаратура, узел, деталь, элемент.

2 Изделие может состоять из технических средств, программного обеспечения или их сочетания и может также в частных случаях включать людей.

3 Группу изделий можно рассматривать как самостоятельное изделие.

1 Примерами уровней разукрупнения могут быть составные части, блоки, печатные платы, элементы.

2 Уровень разукрупнения зависит от сложности структуры изделия, доступности к составным частям, необходимых навыков персонала, соображений безопасности.

1 «Данные условия» могут включать климатические, технические или экономические обстоятельства.

2 Изделие, которое является восстанавливаемым при одних данных условиях, может быть невосстанавливаемым при других условиях.

1 «Данные условия» могут включать климатические, технические или экономические обстоятельства.

2 Изделие, которое является невосстанавливаемым при одних данных условиях, может быть восстанавливаемым при других условиях.

1 Слова «обычно предполагается» означают, что это общепринятая практика организации, ее потребителей и других заинтересованных сторон, когда предполагаются рассматриваемые потребности или ожидания.

2 Для обозначения конкретного вида требования могут применяться определяющие слова, например такие, как требование к продукции, требование к системе качества, требование потребителя.

3 Установленным является такое требование, которое определено, например, в документе.

4 Требования могут выдвигаться различными заинтересованными сторонами.

1 Различие между понятиями «дефект» и «несоответствие» является важным, так как имеет подтекст юридического характера, особенно связанный с вопросами ответственности за качество продукции. Следовательно, термин «дефект» следует использовать чрезвычайно осторожно.

2 Использование, предполагаемое потребителем, может зависеть от характера информации, такой как инструкции по использованию и техническому обслуживанию, предоставляемые поставщиком.

1 Термин «верификация» используют для обозначения соответствующего статуса.

2 Деятельность по подтверждению требования может включать в себя:

— осуществление альтернативных расчетов;

— сравнение спецификации на новый проект с аналогичной документацией на апробированный проект;

— проведение испытаний и демонстраций;

— анализ документов до их выпуска.

Основные понятия

1 Эта способность зависит от сочетания свойств безотказности, ремонтопригодности и поддержки технического обслуживания.

2 «Данные условия» могут включать климатические, технические или экономические обстоятельства.

3 Необходимые внешние ресурсы, кроме ресурсов технического обслуживания, не влияют на свойство готовности.

1 «Данные условия» могут включать климатические, технические или экономические обстоятельства.

2 Обычно предполагают, что в начале интервала времени изделие в состоянии выполнить требуемую функцию.

Понятия, относящиеся к состояниям и временам

Понятия, относящиеся к отказам

1 Систематический отказ может быть воспроизведен путем преднамеренного создания тех же самых условий, например, с целью определения причины отказа.

2 Систематический отказ является результатом систематической неисправности.

1 Отказы общего вида могут иметь различные причины.

2 Отказы общего вида могут также быть отказами по общей причине.

Понятия, относящиеся к неисправностям

Величины и показатели безотказности, долговечности и сохраняемости

1 Обычно предполагают, что в начале интервала времени изделие находится в работоспособном состоянии.

2 При 0 и обозначают как ( ) .

где и являются функцией распределения и плотностью распределения вероятности отказа.

Понятия, относящиеся к техническому обслуживанию и его поддержке

1 Отсроченное техническое обслуживание может относиться к профилактическому и корректирующему техническому обслуживанию.

2 Техническое обслуживание может быть отсрочено в целях обеспечения готовности, по материально-техническим, экономическим или экологическим причинам.

Величины и показатели ремонтопригодности и поддержки технического обслуживания

Показатели готовности

Понятия, относящиеся к испытаниям

Понятия, относящиеся к разработке

Понятия, относящиеся к анализу

1 Анализ риска обеспечивает базу для оценивания риска, мероприятий по снижению риска и принятия риска.

2 Информация может включать в себя исторические данные, результаты теоретического анализа, информированное мнение и касаться причастных сторон.

Взаимосвязь между продолжительностями и временами неработоспособных состояний

А.1 Взаимосвязь между продолжительностями и временами неработоспособных состояний, технического обслуживания и ремонта приведена на рисунке А. 1.

Источник

Основные показатели надежности машины

Основные причины изменения технического состояния машины.

К вредным процессам, основным причинам возникновения неисправности автомобиля, относят изнашивание трущихся поверхностей (износ деталей), усталость металла, внутренние напряжения в деталях, различные виды коррозии, старения, обгорание рабочих поверхностей деталей двигателя из-за превышения его допустимого теплового режима, образование накипи в системе охлаждения, нагара в камере сгорания, который может образовываться на стенках головки блока цилиндров, на днище поршня, головках клапанов; применение топливных и смазочных материалов, не отвечающих требованиям нормативно-технических документов, с содержанием в них механических примесей, температурное влияние окружающей среды и т.д.

(Одной из причин возникновения неисправностей в автомобиле является старение деталей, которое заключается в изменении физико-химических свойств материалов в процессе эксплуатации и при хранении автомобиля и его частей под действием нагрева или охлаждения, солнечной радиации, влажности. В результате старения резинотехнические изделия теряют эластичность и растрескиваются, в топливе, маслах и эксплуатационных жидкостях наблюдаются окислительные процессы, которые изменяют их химический состав и приводят к ухудшению эксплуатационных свойств, поэтому эксплуатационные свойства смазочных материалов, топлива, специальных жидкостей, таких как тормозные, амортизаторные, низкозамерзающие, и воды, применяемых в автомобилях, должны отвечать требованиям, соответствующим нормативно-техническим документам.)

Основные показатели надежности машины

(Показатели надежности. Для оценки надежности трактора (машины) или другого объекта используются единичные и комплексные показатели. К единичным показателям относят безотказность работы, наработку на отказ, среднюю наработку на отказ, интенсивность отказов и параметр потока отказов. Комплексные показатели (коэффициент готовности, коэффициент технического использования, коэффициент оперативной готовности, средние суммарные и удельные суммарные трудоемкости и стоимость технического обслуживания и ремонта) применяют для более полной оценки надежности. Единичные и комплексные показатели надежности определяют опытным путем. В заданных условиях проводят испытания партии тракторов и автомобилей с фиксацией всех показателей (наработки, отказов, неисправностей и т. п.).)

Источник

Показатели надёжности машин

Показатели качества и технического уровня машин

В общем случае для оценки уровня продукции машиностроения, в том числе погрузочно-разгрузочных, путевых, дорожно-строительных машин и оборудования, используют Единую систему конструкторской документации (ЕСКД), составляя карту ее технического уровня и качества. Показатели, определяющие качество и эффективность машин можно условно разделить на следующие группы:

1) технико-экономические показатели, характеризующие эффективность машин по основным техническим параметрам (мощность, производительность, энерго- и материалоемкость, выработка и др.);

2) Конструктивные показатели, которые характеризуют качество и свойства конструкции машины (надежность, унификация и стандартизация элементов конструкции и др.);

3) Эксплуатационные показатели, характеризующие работу машины в производственных условиях (типоразмерность, мобильность, проходимость, универсальность и др.);

4) Технологические показатели, которые характеризуют трудоёмкость изготовления деталей и узлов, а также сборки и разборки машины.

Из всех показателей характеризующих качество и технико-экономическую эффективность машин наиболее значимыми являются «показатели надежности». В работе [1] профессор В. И. Баловнев с коллегами оценил значимость более 30 показателей машин по коэффициенту их весомости на базе экспериментальных данных. Наибольший коэффициент весомости имеет надёжность, что свидетельствует о её роли в обеспечении работоспособности машин различного назначения.

Работоспособность машин

Показатели надёжности машин

Надёжность – это свойство машины сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих её способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Надёжность является комплексным свойством, которое оценивают по четырем показателям – безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости (или по сочетанию этих свойств).

Безотказность – это свойство машины сохранять работоспособность непрерывно в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Долговечность – это свойство машины непрерывно сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

(Предельное состояние – состояние машины, при котором её дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление её работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно).

В отличие от безотказности долговечность характеризуется продолжительностью работы машины по суммарной наработке, прерываемой периодами для восстановления её работоспособности в плановых и неплановых ремонтах и при техническом обслуживании. Отметим, что для невосстанавливаемых изделий, понятия долговечности и безотказности практически совпадают.

Ремонтопригодность – это приспособленность машины к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и повреждений, а также поддержанию и восстановлению работоспособности путём проведения технического обслуживания и ремонта. Отметим, что с усложнением технических систем, всё труднее найти причины отказов (в сложных системах время поиска занимает более 50 % общего времени восстановления работоспособности). Важность этого показателя определяется огромными затратами на ремонт машин.

Сохраняемость – это свойство машины сохранять показатели безотказности, долговечности и ремонтопригодности после хранения и транспортирования. Отметим существенные значения этого показателя для деталей, узлов и механизмов, находящихся на хранении в комплекте запчастей.

Объекты (машины) подразделяют на:

Надёжность машины характеризуется следующими состояниями: исправное, неисправное, работоспособное и неработоспособное.

Исправное состояние – состояние машины, при котором она соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Неисправное состояние – состояние машины, при котором она не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Работоспособное состояние – состояние машины, при котором она способна выполнять заданные функции, соответствующие требованиям нормативно-технической и конструкторской документации (нормативно-техническая документация – стандарты, технические условия и прочая документация).

Таким образом, неработоспособное состояние является непременно неисправным. Но неисправное состояние не обязательно неработоспособное (например, повреждение капота или крыла автомобиля). Различают неисправности, не приводящие к отказам, и неисправности, ведущие к отказам.

Показатели надёжности разделяют в соответствии с упомянутыми свойствами на показатели: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Показатели надёжности могут быть единичными (т.е. характеризующими одно свойств, составляющих надёжность) и комплексными, относящихся к нескольким свойствам объекта.

К единичным показателям относятся показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

К комплексным показателям надёжности машин относятся коэффициенты готовности, технического использования, а также удельные суммарные трудоёмкости ремонта или Т.О. Как правило, они относятся к сложным системам и автоматическим комплексам.

Коэффициент технического использования (К_т.и) – это отношение математического ожидания времени работоспособного состояния на некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий времени работоспособного состояния и всех постоев для ремонтов и технического обслуживания.

,

где Т – суммарное время пребывания в работоспособном состоянии;

Т_т.о – время техобслуживания.

Коэффициент готовности (К_г) – вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме периодов, в которых эксплуатация не предусматривается. Коэффициент определяют как отношение математических ожиданий времени нахождения в работоспособном состоянии к математическим ожиданиям суммы этого времени и времени внеплановых ремонтов.

,

где – суммарное время внепланового восстановления.

К основным понятиям в теории надёжности относится отказ.

Отказ – это событие, которое заключается в нарушении работоспособности машины.

Наработка – это продолжительность (или объём) работы машины.

Наработка машины от начала эксплуатации до предельного состояния называется ресурсом.

В отличие от ресурса срок службы – это календарная продолжительность эксплуатации машины от начала эксплуатации до наступления предельного состояния.

Под предельным состоянием понимают состояние машины, при котором дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена (вследствие изменения заданных параметров ниже установленных пределов, нарушения требований безопасности и др.).

Как уже отмечалось, показатель надёжности – это количественная характеристика одного или нескольких свойств, определяющих надёжность машины.

В качестве основных показателей надёжности дорожных машин и их узлов используют следующие характеристики:

– гамма-процентный ресурс ;

– средний ресурс до капитального ремонта (или до списания );

В свою очередь эти показатели связаны с другими характеристиками:

1) вероятностью безотказной работы Р(t) – вероятность того, что в пределах заданной наработки (t) отказ не возникнет;

2) наработкой на отказ t_н;

3) наработкой до отказа элементов t_д.

Наработка до отказа – математическое ожидание наработки до отказа невосстанавливаемого изделия.

Средняя наработка на отказ – отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течении этой наработки.

Интенсивность отказов ( ) – показатель надёжности невосстанавливаемых изделий, равный отношению среднего числа отказавших в единицу времени объектов к числу объектов, оставшихся работоспособными (этот показатель более чувствителен, чем вероятность безотказной работы, особенно для изделий высокой надёжности).

,

где ,

N₀ – общее число элементов;

n – число отказавших элементов.

Гамма-процентный ресурс – наработка, в течении которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью (%).

Гамма-процентный ресурс определяют из выражения

,

где – вероятность того, что за ресурс объект не достигнет пре-

– вероятность достижения предельного состояния.

2.2 Основные факторы физического старения машин

В процессе эксплуатации машины со временем под действием разнообразных факторов происходит ухудшение её функциональных и других свойств (т.е. старение машины) вплоть до момента, когда она становится непригодной для дальнейшего использования по назначению.

Различают две формы старения:

1) моральное старение, которое состоит в том, что со временем технико-экономические характеристики машины становятся хуже исходных, которыми она располагала на момент поступления потребителю;

2) физическое старение, которое является результатом воздействия на машину и её элементы температуры, окружающей среды, механических нагрузок и радиации.

Основной причиной морального старения является появление на рынке более совершенных машин, обеспечивающих повышение технико-экономических и других показателей. Следует отметить, что моральное старение не вызывает отказа машины в отличие от физического старения.

Именно физическое старение, обусловленное воздействием на машину упомянутых факторов, является причиной отказов, т.е. переходов машины в неработоспособное состояние.

Физическое старение (ФС) является результатом воздействия времени, окружающей среды и механических нагрузок, радиации и др.

Вследствие ФС наблюдается ухудшение технических характеристик (точности, быстродействия, экономичности, безопасности). Критерием физического старения является, как правило, показатель технического состояния, поддающийся контроля, например, расход топлива в единицу времени, уровень шума и вибрации, состав выбрасываемых в атмосферу вредных веществ и др.

Именно физическое старение способствовало возникновению ремонтного производства. Оно (ФС) сдерживается современными техническим обслуживанием и ремонтом.

Нарушение работоспособности машины и её элементов регламентируются нормативно-технической документацией. Причины нарушения работоспособности и перехода машины в неработоспособное состояние могут быть самыми разными. Для выявления причин возникновения отказов и их влияния на надёжность машин, отказы целесообразно классифицировать по ряду основных признаков.

По критерию отказы разделяют на функциональные и параметрические. Отказ функционирования приводит к частичному или полному прекращению выполнения функций элементов или машины в целом. Очень часто отказ функционирования связан с поломками деталей или узлов машины.

Параметрический отказ приводит к выходу значений параметров или характеристик машины или её элементов за допускаемые пределы. Как правило, подобные отказы не ограничивают возможности функционирования машины, но исходя, из требований нормативно-технической документации машина считается, неработоспособной.

По причинам возникновения отказы разделяют на конструкционные, технологические и эксплуатационные. Конструкционные отказы могут быть обусловлены ошибками на этапе конструирования. К ним относятся непродуманная (неудачная) конструкция сборочной единицы, неверно подобранная посадка в подвижных и неподвижных соединениях, ошибочно выбранный материал, несоответствие расчётных данных по прочности и износостойкости деталей и узлов машины нагрузочным режимам при эксплуатации.

Технологические отказы связаны с нарушениями требований технологии на этапе изготовления машины. К ним можно отнести дефекты в материале деталей, необнаруженные контролем нарушения центрирования и соосности, параллельности и перпендикулярности осей при механической обработке деталей; несоблюдение условий химико-термической, термической и другой обработки деталей; отступления от технических условий сборки сборочных единиц и машины в целом и др.

Эксплуатационные отказы могут быть обусловлены нарушением режимов работы или правил эксплуатации машины. Это могут быть проявления нагрузок, превышающих установленные пределы, невысокий уровень технического обслуживания, ошибочный выбор горюче-смазочных материалов, низкое качество запасных частей и др.

Конструкционные и технологические отказы выявляются в основном в приработочный период. Об этом свидетельствует график зависимости потока отказов (среднего числа отказов λ(t) за единицу времени) от времени наработки, представленный на рисунке 2.1. Видно, что в период приработки поток отказов достаточно высок, затем на участке, соответствующем периоду нормальной эксплуатации, он практически не меняется, а затем при t > t_экспл поток резко возрастает из-за резкого увеличения износа деталей в узлах трения машины, что делает её эксплуатацию нерациональной.

По условиям возникновения и развития отказы разделяют на внезапные и постепенные.

Наиболее опасными для машины являются внезапные отказы, которые характеризуются резким (скачкообразным) ухудшением одного или нескольких параметров машины. Как правило, они возникают в результате случайного внезапного воздействия внешних факторов, превышающих допустимые нормы, или грубых нарушений условий эксплуатации (ударов, перегрузок, поломок и прочее). Вследствие этого элементы машины теряют свои свойства, необходимые для нормальной эксплуатации машины, или же разрушаются.

Постепенные отказы характеризуются постепенным ухудшением одного или нескольких параметров машины, обусловленного процессами старения деталей, узлов и элементов машины. Как правило, развитие постепенных отказов можно предупредить с помощью системы технического обслуживания и ремонта машины.

По данным профессора Каракулева А. В. в средней по сложности отечественной машине отказ появляется через 15…20 дней эксплуатации, для устранения которого требуется в среднем 50…70 чел-час. труда квалифицированных специалистов.

В основе нарушений работоспособности машин, в основе их физического старения лежат процессы изнашивания поверхностей деталей и узлов машин, а также процессы изменения свойств материалов деталей, конструкции и узлов машин при их эксплуатации.

2.2.1 Изнашивание деталей и узлов машин

Изнашивание (износ) – это процесс постепенного изменения геометрических размеров и формы элементов машины (рабочих органов, ходового оборудования, сопряженных деталей и др.) при трении.

Трение и износ оказывают существенное влияние на надёжность машины. С потерями на трение связано значительное повышение энергоёмкости земляных работ при разработке грунта землеройными и землеройно-транспортными машинами, а также существенное ухудшение энергетических характеристик различных транспортирующих машин. При эксплуатации отказы машин, связанные с изнашиванием ее деталей и элементов, более часты, чем отказы, обусловленные потерей прочности. Во многом это связано со спецификой проектирования отечественных машин: как правило, ответственные детали машин обязательно рассчитывают на прочность, но ни одно подвижное сопряжение не проверяют на износостойкость. В лучшем случае возможность влияния износа на прочность и долговечность сопрягаемых деталей закладывается на стадии проектирования в виде коэффициентов, увеличивающих запас их прочности.

Такой подход объясняется сложностью механических, физических и химических явлений при трении, и отсутствием четких (математически выверенных) зависимостей характеристик трения и износа от различных факторов (технологических, конструктивных, материаловедческих, эксплуатационных).

Вместе с тем, проблема трения и изнашивания является одной из ведущих в машиностроении. Ей уделяется большое внимание, как на исследовательском уровне, так и на практике. Многие параметры трения стандартизированы ещё в советские времена (ГОСТ 27674 – 88). Различают трение скольжения, трение качения и трение качения с проскальзыванием. К основным характеристикам трения относятся коэффициент трения и скорость скольжения (разность скоростей деталей в точках их касания в подвижном сопряжении). К основным характеристикам изнашивания относятся скорость изнашивания (отношение массового, линейного или объёмного износа ко времени) и интенсивность изнашивания (отношение износа к пути трения). Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию называют износостойкостью.

При трении скольжения скорости контактирующих деталей в точках касания могут различаться по величине и направлению, по величине или по направлению. Этот вид трения связан с максимальным износом сопряженных деталей и наибольшей энергоёмкостью процесса трения. В частности червячная пара, в которой реализовано трение скольжения, имеет наименьший К.П.Д. (η ≈ 0,75) из всех зубчатых передач. Вместе с тем, в машинах используют положительный эффект трения скольжения, а именно возможность реализации больших сил трения при относительно малых нормальных силах. Например, этот эффект используют в тормозных системах, в фрикционных передачах и др.

При трении качения скорости контактирующих деталей одинаковы и по величине, и по направлению. Этот вид трения имеет наибольшее распространение в машинах в связи с минимальным износом деталей и низкой энергоёмкостью процесса. Он реализуется в подшипниках качения, в парах колесо-рельс, ролик-лента и др.

При трении качения с проскальзыванием перемещение деталей осуществляется одновременно с качением и скольжением. Этот вид трения реализуется в различных парах трения, поскольку по энергетическим характеристикам и износу занимает промежуточное положение между трением скольжения и трением качения. В частности, трение качения с проскальзыванием, которое реализовано в зубчатых (цилиндрических, конических) передачах, обеспечивает значительно меньшие потери на трение по сравнению с червячной передачей.

Вместе с тем, вид трения не является постоянной характеристикой узла трения. Даже для правильно сконструированного и изготовленного узла трения в зависимости от многих эксплуатационных факторов вид трения может меняться и, как правило, его изменение сопровождается снижением или потерей работоспособности узла. Можно привести несколько примеров. При загрязнении подшипников качения трение качения переходит в трение скольжения их промежуточных тел (роликов или шариков) по поверхности одного из колец или в трение скольжения подшипника по поверхности гнезда. Еще пример: при движении колёс по рельсам трение качения колеса по рельсу переходит в трение качения с проскальзыванием в паре обод колеса-рабочая поверхность рельса и в трение скольжения в паре реборда колеса- боковая поверхность головки рельса.

Большое влияние (как отрицательное, так и положительное) оказывает на работоспособность узлов трения наличие смазочного материала в зоне трения.

Если для узлов трения, таких как зубчатые и цепные передачи, подшипники качения и скольжения и прочее, планируется (на этапе проектирования узла) их смазывание смазочными материалами, то отсутствие или ограничение смазки может вызвать резкое увеличение коэффициента трения и интенсивный износ сопряженных деталей вплоть до выхода из строя узла. Как правило, в таких узлах реализуют режим граничной смазки, который характеризуется наличием на контактирующих поверхностях тонкой масляной пленки.

Многие узлы трения (пары колесо-рельс, ролик-лента, шкив-лента и др.) должны эксплуатироваться без смазки, поскольку передача движения между элементами пары осуществляется за счёт сил трения. Поэтому попадание в сопряжение смазочного материала резко ухудшает работоспособность узла. Аналогичный отрицательный эффект имеет место при попадании смазки в рабочую зону тормозных устройств традиционного типа.

Трение в многочисленных сопряжениях узлов и механизмов машин, фрикционное воздействие разрабатываемых материалов на элементы рабочих органов и ходовых устройств приводят к их износу, что сопровождается снижением работоспособности машины в целом, вплоть до достижения предельного состояния.

Износ является сложным процессом, зависящим от многих внешних и внутренних факторов. Из многочисленных видов износа наиболее часто на практике встречается механическое изнашивание, которое в свою очередь разделяют на абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, усталостное и кавитационное изнашивание. Следует отметить, что это разделение в известной мере условно, поскольку на практике чаще всего встречается комбинация различных видов изнашивания. Тем не менее, основными видами изнашивания деталей и узлов при эксплуатации машины в нормальных условиях (не экстремальных) являются абразивное и усталостное изнашивание.

Наибольшему износу подвергаются поверхности элементов рабочих органов машин, которые взаимодействуют с перерабатываемым или разрабатываемым материалом, а также элементы ходового оборудования. К ним относятся режущие элементы рабочих органов дорожно-строительных и других машин (ножи, зубья и отвалы бульдозеров и грейдеров, зубья, ножи и режущие кромки экскаваторов и скреперов, долота, зубила, сверла и другое сменное рабочее оборудование одноковшовых экскаваторов, лопасти шнеков и фрез распределителей дорожно-строительных машин и асфальтоукладчиков), а также детали и элементы ходовых устройств (протекторы пневмошин, звенья и катки гусениц, обода колес на рельсах) и многое другое. Эти элементы в основном подвергаются абразивному изнашиванию, что влечет за собой существенное (на 50…100 %) повышение энергоемкости рабочего процесса.

Для примера порядка величин износа можно привести изнашивание рабочих органов бульдозера. При сроке службы их ножей, составляющем 200…350 часов, величина абразивного износа (по ширине) достигает 40…50 мм при средней скорости износа по толщине около 10 мкм/ч при работе на суглинистых грунтах II – IV категорий. При работе на промерзших суглинистых грунтах скорости изнашивания возрастает в три и более раз. Уже при линейном износе 14…15 мм удельное сопротивление резанию увеличивается в 1,5 раза при росте расхода мощности и снижении производительности машины. Однако отметим, что даже при катастрофическом износе рабочих органов машина продолжает оставаться в работоспособном состоянии.

Совершенно иное влияние оказывает износ деталей силовых передач и других сопряжений на работоспособность машины. При увеличении износа деталей в подвижных сопряжениях растут зазоры, вызывая усиление динамических нагрузок, ухудшение условий смазывания в зоне трения и в конечном итоге выход из строя узла трения.

При анализе трения и изнашивания в подвижных сопряжениях следует различать базовые (пассивные) и активные детали. Базовые детали сборочной единицы, к которым относятся корпусы различных редукторов и коробок передач, конструкционные и другие элементы машин, служат для удержания активных деталей в требуемом положении и воспринимают возникающие нагрузки. Их старение проявляется, как правило, в изменении положения в пространстве опорных поверхностей, в короблении привалочных поверхностей и прочее. Как правило, наработка базовой детали сборочной единицы до предельного состояния является планируемой межремонтной наработкой самой сборочной единицы.

Долговечность активных деталей, подвергающихся изнашиванию, значительно ниже, чем базовых, поскольку активные детали воспринимают и передают крутящие моменты, другие силовые нагрузки, циклические напряжения и прочее. Рабочие поверхности этих деталей (валов и осей, зубчатых колёс, поршней и цилиндров и др.) находятся во фрикционном взаимодействии с рабочими поверхностями других деталей, работая в условиях переменных механических нагрузок.

Как уже отмечалось, износ является сложным процессом, на который оказывают влияние механические, физические и химические факторы, сопровождающие трение элементов сопряжений. Для прогнозирования величины износа деталей в узлах трения машин важно знать характер зависимости износа от времени наработки, т.е. динамику процесса износа. По данным профессора Баловнева В. И. все виды этих зависимостей можно описать несколькими моделями, характерными для различных типов сопряжений (рисунок 2.2). Первая модель (кривая 3) характеризует линейную зависимость износа от времени. Она характерна для абразивного изнашивания рабочих элементов машин для земляных работ.

Вторая модель (кривая 2) имеет ярко выраженный период приработки с последующим периодом с постоянной скоростью изнашивания, что характерно для подшипников скольжения, шарнирных соединений и др.

Третья модель (кривая 5) отличается монотонно убывающей скоростью изнашивания, что характерно для зубчатых колес.

Четвертая модель (кривая 1) характеризуется монотонностью повышающейся скоростью изнашивания. И, наконец, наиболее общая модель (кривая 4, носящая имя Лоренца) включает три основных периода или стадии:

I – период приработки (0 – t_пр), для которого характерен резкий рост износа (до величины I_пр) с образованием большого числа продуктов изнашивания, загрязняющих смазку, и с повышением температуры в зоне трения; II – период нормальной (стабильной) эксплуатации узла трения (t_пр – t_экспл) с установившейся скоростью изнашивания; III – период критического (катастрофического) изнашивания, в результате которого растут зазоры в сопряжении, вызывая дополнительные динамические нагрузки и ухудшение условий смазывания трущихся поверхностей, а по достижении некоторой критической (предельной) величины износа возникают ударные нагрузки на детали, резкое повышение температуры, заедание и в конечном счете выход из строя узла трения.

Таким образом для периода нормальной эксплуатации узла трения характерна практически постоянная скорость изнашивания поверхностей сопряженных деталей, которая графически определяется углом наклона α прямой (t_пр – t_экспл) по формуле

.

Срок службы деталей в узле трения можно определить с учётом времени приработки по формуле

.

Однако использовать эту формулу для практических расчетов сложно, поскольку все составляющие являются случайными величинами, зависящими от многих параметров.

Больше всего для инженерных расчетов подходит метод аналогий, согласно которому оценка срока службы рассчитываемой детали базируется на известном сроке службы детали-аналога, эксплуатирующейся в машинах изучаемого вида. Согласно этому подходу, срок службы рассчитываемой детали можно определить по формуле

,

где t_a – срок службы детали аналога;

К_а – коэффициент учета влияния конструктивных, технологических и

эксплуатационных факторов на износ детали-аналога

;

К_р – срок службы разрабатываемой детали

.

Коэффициенты К_а и К_р (i = 1,…,n) характеризуют влияние на износ основных факторов, включая материал деталей вид термической и химико-термической обработки, вид изнашивания, смазочный материал и многое другое.

В настоящее время накоплен довольно обширный банк данных по конкретным узлам трения и влиянию на износ наиболее существенных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Это позволяет решить ряд практических задач с помощью метода аналогий. Кроме того, при оценке ресурса и работоспособности узла трения ответственной задачей является установление предела допустимой величины износа детали ([I]_max ≥ I_экспл). Важность поиска оптимальной величины предельного износа обусловлены с одной стороны неоправданным уменьшением срока службы деталей при ее занижении, а с другой – повышение текущих затрат за счет увеличения аварийных ремонтов при завышении. Следует отметить, что в настоящее время имеется несколько критериев оценки величины предельного износа в зависимости от вида узла трения и типа сопряжения: по потере прочности детали, по нарушению зацепления деталей в передаче, по потере подвижности в шарнирных соединениях и др.

Оценку надежности деталей при изнашивании производят, рассматривая схему возникновения отказа при достижении предельно допустимых величин износа [I]_max и используя вероятностный подход к решению этой задачи.

2.2.2 Прочностные характеристики материалов деталей и элементов

Помимо изнашивания поверхностей деталей и элементов узлов машин, старение выражается в снижении исходных показателей деформационной способности и прочностных характеристик материалов, из которых они изготовлены, и возникновению отказов. Воздействие внешних факторов (нагрузок, среды, температуры и прочее) приводит к необратимым изменениям структуры и свойств материалов, что в свою очередь отражается на работоспособности деталей и элементов из них.

Наиболее существенным фактором, влияющим на отказы деталей и элементов машин, являются силовые нагрузки, которые вызывают необратимые изменения физико-механических характеристик материалов.

Мало заметными, но весьма ощутимыми по своему воздействию на материалы являются усталостные явления, протекающие в материалах деталей, которые подвергаются циклическим нагрузкам. Усталостью материала называют процесс накопления повреждений под действием переменных напряжений. Если эти напряжения периодически превышают определенную для данных условий величину (предел выносливости), в материале постепенно накапливаются микротрещины, которые, развиваясь и ослабляя сечение, вызывают появление трещин недопустимых размеров или полное разрушение детали или конструкции.

Количественно усталостный процесс можно описать зависимостью, связывающей максимальное напряжение σ в материале детали при ее нагружении с числом циклов нагружения N. В полулогарифмических координатах она имеет вид прямой с изломом (рисунок 2.3) и называется кривой усталости. Плотность накопленных повреждений и соответственно ресурс детали зависят от числа циклов и нагружения, которое в свою очередь определяется величиной действующих в материале напряжений и пределом выносливости. Как правило, для определения условий эксплуатации детали существует стационарный режим нагружения, при котором предел выносливости (σ_о) является постоянной величиной и характеризует максимальные напряжения, при котором не возникает разрушения детали при длительной эксплуатации. Число N_о (точка перелома кривой) называют базовым числом циклов (N_о ≈ 10 7 ). Если величина действующего напряжения σ не превышает σ_о, то ресурс детали составляет неограниченное число циклов. Если же напряжения, действующие при нагружении больше σ_о, по кривой усталости можно определить ресурс детали, т.е. число циклов нагружения до ее разрушения. Например, на рисунке 2.3, при увеличении напряжения с σ₂ до σ₁ ресурс детали уменьшается с N₂ до N₁ циклов.

Если же циклическим напряжениям сопутствует коррозионные процессы воздействия (высоких температур, радиации), предел выносливости может значительно уменьшиться, а в ряде случаев он может вовсе отсутствовать. Значительно снижается предел выносливости для деталей, бывших в эксплуатации и затем восстановленных одним из известных методов.

На рисунке 2.4 приведены кривые усталости материалов, которые были испытаны на воздухе, в масле и в воде (т.е. в коррозионноактивной среде). Видно, что даже масло оказывает отрицательное влияние на прочностные характеристики (так называемый «эффект Ребшнера»). Следует отметить, что фактор усталости в расчетах проработан наиболее детально

В качестве примера достаточно привести проверочные расчеты, которые проводят для различных передач (курсовой проект по дисциплине «Детали машин и основы конструирования»). Они на учете роли усталостных процессов, поскольку допускаемые напряжения (контактные и изгибные), которые выбирают для проверки правильности кинематических расчетов, определяют именно по кривым усталости.

Помимо усталостных разрушений при эксплуатации машин отказы их деталей и элементов могут возникать по другим причинам. Для ряда материалов, из которых изготавливают детали и элементы машин, наиболее значимым фактором отказа являются хрупкие разрушения. Хрупкие разрушения могут быть основной причиной выхода из строя деталей из хрупких материалов при воздействии больших динамических (чаще ударных) нагрузок. Кроме того, для ряда конструкционных сталей (с примесями азота) в условиях эксплуатации при низких температурах происходит так, называемое низкотемпературное охрупчивание. При эксплуатации машин в условиях повышенной радиации имеет место радиационное охрупчивание, резко снижающее долговечность деталей и узлов машины.

Низкотемпературное и радиационное охрупчивание является одной из основных причин выхода из строя конструкций и деталей, изготовленных из большинства полимерных композиционных материалов. В условиях низких температур (Т ≤ – 40 о С) и повышенного уровня радиации полимерные матрицы композиционных материалов теряют пластичность и становятся хрупкими, что существенно ограничивает их применение в узлах машин.

При высоких длительных нагрузках (или даже перегрузках) у деталей и конструкций из пластичных материалов, могут наблюдаться пластические деформации, которые могут причиной отказа металлоконструкций машин. Эффект ползучести, который представляет собой процесс непрерывной пластической деформации, протекающей с малой скоростью при длительном нагружении, может быть причиной отказа конструкций из незакаленных и высокоотпущенных сталей, а также из композиционных материалов на основе термопластичных полимерных матриц.

Как уже отмечалось, одной из основных причин преждевременного выхода из строя деталей и конструкций машин являются коррозионные процессы, протекающие в материалах под влиянием окружающей среды. Особенно существенную роль может оказать коррозия в сочетании с другими факторами воздействия на материалы деталей и конструкций. В частности, резкое снижение работоспособности и сохранении ресурса машин вызывает воздействие на сопряжение детали в узлах трения абразивно-агрессивных сред.

3 Обеспечение надёжности машин при проектировании,

Источник