Основы теории надежности и диагностика

Все особенности отказа и его последствий достаточно характеризовать допустимой вероятностью безотказной работы, которая аккумулирует в себе и численно оценивает опасность последствий отказа.

Так, если отказ существует непродолжительное время и самовосстанавливается и за это время не произойдет необратимых нарушений работы машины, то будет допускаться более низкая вероятность безотказной работы, чем при «полном» отказе и более опасных последствиях.

4.3. Классификация  отказов

Классификация отказов  необходима для выявления их причин и разработки мер по предупреждению и устранению. Существует несколько квалификационных признаков, главные из которых сводятся к следующим:

По влиянию  на работоспособность объекта различают отказы его элементов и отказы, вызывающие неисправность или отказ объекта в целом. Например, перегорание лампы плафона вызывает отказ лампы (элемента), но не автомобиля, а отказ тормозной системы или рулевого управления является одновременно и отказом автомобиля, так как при этом нельзя продолжать движение.

По источнику  возникновения различают отказы: конструкционные, возникающие вследствие несовершенства конструкции; производственные, являющиеся следствием нарушения или несовершенства технологического процесса изготовления или ремонта изделия; эксплуатационные, вызванные нарушением действующих правил (например, перегрузкой автомобиля, применением не рекомендуемых топлив или смазочных материалов, несвоевременным проведением технического обслуживания и т. п.).

По связи  с отказами других элементов различают зависимые и независимые отказы. Зависимым называется отказ, обусловленный отказом или неисправностью других элементов изделия. Независимый отказ такой обусловленности не имеет. Примером зависимого отказа могут служить задиры зеркала цилиндра двигателя из-за разрушения поршневого кольца или отказ аккумуляторной батареи  из-за неисправности реле-регулятора. Пример независимого отказа – прокол шины на дороге.

По характеру (закономерности) возникновения и  возможности прогнозирования различают постепенные и внезапные отказы. Постепенные отказы возникают  в результате планового изменения показателей технического состояния объекта, чаще всего вследствие изнашивания. Для постепенных отказов характерен последовательный переход изделия из исправного начального состояния в состояние отказа через ряд промежуточных состояний. Особенность постепенных отказов заключается, во-первых, в том, что они в принципе могут быть предотвращены в результате своевременного выполнения ТО. Вторая их особенность состоит в монотонности изменения технического состояния, что создает предпосылки для его прогнозирования. На постепенные отказы приходится от 40% до 70% всех отказов.

Для внезапных отказов характерным является скачкообразное изменение показателя технического состояния. Примером внезапного отказа является повреждение или разрушение вследствие превышения допустимого уровня нагрузки, которое в принципе может произойти в любой момент работы изделия. При старении автомобиля удельный вес внезапных отказов возрастает.

На автомобилях также  встречается особый, так называемый перемежающий отказ, отличающийся тем, что многократно возникает и самоустраняется. Такой отказ, например, может возникнуть при ослаблении крапления электрического контакта.

По частоте  возникновения (наработке) для современных автомобилей рассчитывают отказы с малой (3 – 4 тыс. км), средней (до 12 – 16 тыс. км) и большой (свыше 12 – 16 тыс. км) наработкой. Следует иметь ввиду, что наработки между отказами существенно сокращаются при увеличении пробега автомобиля с начала эксплуатации.

По трудоемкости устранения отказы можно разделить на требующие малую (до 2 чел.-ч), среднюю (2 -4 чел.-ч) и большую (свыше 4 чел.-ч) трудоемкость восстановления автомобиля. Средняя трудоемкость устранения одного отказа современного автомобиля в зависимости от грузоподъемности (вместимости) и конструктивных особенностей составляет 1,5 – 2 чел.-ч.

По влиянию на потери рабочего времени автомобиля разделяют отказы, устраняемые без потери рабочего времени (т.е. при ТО или в нерабочее (межсменное) время), и отказы, устраняемые с потерей рабочего времени.

5. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ

5.1. Физика отказов

5.1.1. Изменение свойств и состояния материалов как причина потери изделием работоспособности

Изменение начальных  свойств и состояния материалов, из которых выполнено изделие, является первопричиной потери им работоспособности, так как эти изменения могут привести к повреждению изделия и к опасности возникновения отказа.

Чем глубже изучены  закономерности, описывающие процессы изменения свойств и состояния материалов, тем достовернее можно предсказать поведение изделия в данных условиях эксплуатации и обеспечить сохранение показателей надежности в требуемых пределах.

Для оценки надежности, как правило, используются вероятностные  характеристики, но суждение о поведении изделия нельзя сделать лишь на основании статистических исследований. В основе потери машиной работоспособности всегда лежат физические закономерности, но в силу разнообразия и переменности действующих факторов эти зависимости приобретают вероятностный характер. •

Поэтому «Физика  отказов», которая изучает закономерности изменения свойств материалов в  условиях их эксплуатации, является основой для изучения и оценки надежности машин.

5.1.2.  Три уровня изучения поведения материалов

Для решения  инженерных задач надежности необходимо знать закономерности изменения выходных параметров машины и ее элементов во времени. Так, надо оценить деформацию деталей, износ их поверхности, изменение несущей способности из-за релаксации напряжений или процессов усталости, повреждение поверхности из-за коррозии и т.д., т.е. рассмотреть макрокартину явлений, происходящих при эксплуатации машины.

Однако для объяснения физической сущности происходящих явлений и для получения таких закономерностей, которые в наиболее общей форме отражают объективную действительность, необходимо объяснить первопричины взаимосвязей.

Современная наука изучает закономерности изменения свойств и состояния материалов на следующих уровнях:

1. Субмикроскопический уровень, когда на основании рассмотрения строения атомов и молекул и образования из них кристаллических решеток твердых тел или иных структур выявляются закономерности, которые служат базой для объяснения свойств и поведения материалов в различных условиях. Эти закономерности, как правило, являются основой для дальнейших исследований и разработок частных зависимостей.

2. Микроскопический уровень рассмотрения свойств материалов исходит из анализа процессов, происходящих в небольшой области. Полученные при этом закономерности в дальнейшем распространяются на весь объем тела.

Классическим  примером в этом отношении может  служить теория напряжений и деформаций в идеальном однородном теле, когда в точке тела выделяется бесконечно малый элемент в виде параллелепипеда и рассматривается его напряженное состояние (примеры: закон Гука, явления по границам зерен, взаимодействие двух трущихся поверхностей).

Рассмотрение  закономерностей на уровне микрокартины явлений -необходимый этап для дальнейшего распространения полученных зависимостей на весь объем твердого тела, т.е. на всю деталь или ее поверхность.

3. Макроскопический уровень рассматривает изменение начальных свойств или состояния материала всего тела (детали).

Разнообразные закономерности и методы расчетов, применяемые при конструировании  и производстве машин, полученные общие  физические законы и частные зависимости могут быть использованы и при решении вопросов надежности. При этом, поскольку главной задачей является оценка изменения свойств и состояния материала в функции времени, необходимо выявить, какие физические закономерности могут быть использованы и как проявляется фактор времени при оценке работоспособности изделия.

5.2. Износ

5.2.1. Изменение технического состояния  автомобилей в процессе эксплуатации

В процессе длительной работы автомобиля в его механизмах, агрегатах и системах возникают неисправности, которые приводят к ухудшению его эксплуатационных свойств и снижению эффективности использования.

Все неисправности  автомобиля можно разделить на две  группы:

1) возникающие  в результате изнашивания, усталостного  разрушения или деформации деталей;

2) обусловленные  выходом рабочих характеристик  автомобиля (или его элементов)  за допустимые пределы вследствие нарушения регулировки, ослабления креплений, изменения посадок, образования накипи, нагара, смолистых отложений, загрязнения и пр.

Износ деталей  является главной причиной, вызывающей неисправности автомобиля в процессе эксплуатации и характеризуется изменением формы и размеров деталей. В результате износа трущихся поверхностей увеличиваются зазоры в подвижных сопряжениях деталей, изменяется взаимное их расположение, что нарушает регулировку механизмов и систем.

Изменения размеров и формы деталей приводят к перераспределению действующих нагрузок и увеличению контактных давлений; при этом возникают стуки в сопряжениях, которые ускоряют процессы изнашивания. При значительном увеличении зазоров могут произойти поломки деталей вследствие динамических нагрузок.

Помимо нарушений  механических связей между деталями, изнашивание влечет за собой: в двигателе - нарушение термодинамических процессов сгорания, в электрооборудовании - нарушение процессов зажигания, в системе питания - нарушение процессов смесеобразования и т.д.

Изнашиванию деталей часто сопутствуют коррозия, старение, накопление усталостных напряжений, деформации и т.п.

5.2.2. Основные положения по трению  и изнашиванию

Трением называется сопротивление, возникающее при относительном перемещении двух сопряженных между собой тел. Преодоление силы трения на пути перемещения сопряженных деталей называется работой трения.

Различают следующие  виды трения (рис. 9): сухое (внешнее), жидкостное (внутреннее, называемое также совершенным или гидродинамическим) и граничное.

Сухим называют такое трение, когда трущиеся поверхности непосредственно соприкасаются и взаимодействуют между собой. Смазка между ними отсутствует.

При сухом  трении металлов сила трения возникает  вследствие сопротивления соприкасающихся микронеровностей сопряженных деталей и происходящего, при этом молекулярного сцепления. Молекулярное сцепление (или микросваривание) происходит в контактах неровностей благодаря высокому удельному давлению, при котором разрушается окисная пленка. Примером сухого трения разнородных материалов может служить трение между тормозными накладками и барабанами колес автомобиля.

Жидкостным трением называют такое, когда толщина масляного слоя между трущимися поверхностями превышает их микронеровности и трение возникает только за счет перемещения молекул в слое масла.

При жидкостном трении сила трения создается за счет внутреннего сопротивления масла, находящегося между сопряженными деталями. Советскими учеными Ю. П. Петровым, Н. Е. Жуковским, С. А. Чаплыгиным и другими исследователями разработана теория жидкостной, гидродинамической смазки. Согласно этой теории при вращении вала в подшипнике смазка втягивается в зазор, образуя масляный клин, и при некоторых условиях цапфа вала как бы всплывает в подшипнике. Всплывание цапфы зависит от скорости вращения вала, вязкости масла, нагрузки на цапфу и зазора между нею и подшипником. Жидкостное трение наблюдается в таких узлах автомобиля, как подшипники коленчатого вала в период установившегося режима работы.

Граничным называют такое трение, когда трущиеся детали разграничены лишь теми слоями молекул масла, которые адсорбированы на поверхностях этих деталей, из-за полярной активности и сил молекулярного притяжения.

Примером  граничного трения может служить  трение в зацеплении шестерен главной передачи заднего моста, шариковых подшипниках, т. е. в условиях высоких удельных нагрузок.

Существуют  промежуточные виды трения: полусухое (как среднее между сухим и граничным) и полужидкостное (как среднее между жидкостным и граничным или сухим трением).

Практически при работе механизмов автомобиля наблюдаются  смешанные, периодически изменяющиеся или промежуточные виды трения.

Из сказанного о механизме трения следует, что  сила трения обусловлена качеством  обработки трущихся деталей, материалами, из которых они изготовлены, наличием между ними смазки, характером сопряжения, а также нагрузочным скоростным и тепловым режимами работы сопряжения.

Изнашиванием называется процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и его остаточной деформации.

Износ - это результат изнашивания. Он выражается в изменении размеров, формы, объема и веса сопряженных деталей.

Последствием  износа, как правило, является нарушение  сопряжений, кинематических связей и работы данного узла или механизма в целом.

5.2.3. Виды изнашивания

Существует  несколько различных классификаций  изнашивания. Одной из них, наиболее часто используемых в литературе по вопросам технической эксплуатации автомобилей, является классификация проф. М. М. Хрущева. Указанная классификация включает три основных вида изнашивания: механическое, молекулярно-механическое (адгезионное) и коррозионно-механи-ческое.