ОТКАЗЫ, ПРЕДЕЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ И ИЗНОС УЗЛОВ ТРЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ

После выбора материалов деталей и предварительных расчетов долговечности узлов трения, выполняемых в рамках эскизного проекта, приступают к разработке технического проекта. На этом этапе требуется выполнить уточненные расчеты долговечности и других триботехнических показателей качества изделия. Перед проведением таких расчетов необходим прогноз возможных видов отказов и предельных состояний исходя из конструктивных особенностей, условий эксплуатации и требуемых показателей надежности изделия. Определив возможные виды предельных состояний, рассчитывают величины предельных износов подвижных сопряжений деталей изделия. Величины предельных износов учитывают в дальнейших уточненных расчетах триботехнических показателей качества проектируемого изделия.

Модели отказов

Для прогнозирования и регламентации предельных состояний необходимо принять ту или иную модель отказов изделия. Ниже наиболее подробно рассматривается модель постепенных отказов. Эта модель отказов наиболее приемлема для изделий с узлами трения.

Закон изменения выходного параметра изделия

Рис. 6.1 Схема технической системы

Любое изделие с узлами трения можно рассматривать как техническую систему ТС с входным У и выходными параметрами (рис. 6.1). Состояние ТС меняется во времени. При эксплуатации изделия материал деталей изменяет свои свойства. В большинстве случаев эти изменения приводят к ухудшению эксплуатационных свойств материалов. Поэтому эти изменения называют повреждениями (усталость, износ, пластические деформации, коррозия и др.)

Степень повреждения материала влияет на выходные параметры X изделия и, следовательно, определяет его надежность.

Рассмотрим связь между степенью повреждения и выходным параметром изделия [5].

Закон изменения выходного параметра изделия во времени X(t) может как соответствовать, так и существенно отличаться от определяющей его временной зависимости для степени повреждения U(t), так как между ними имеется функциональная зависимость X = f(U), которая отражает структуру, назначение и принцип действия данного изделия. Линейный закон изменения степени повреждения во времени может привести к нелинейным временным зависимостям выходного параметра. Следует учитывать, что процесс повреждения связан с физикой явлений, происходящих в материале изделия, в то время как изменение выходного параметра отражает макропроцессы, происходящие в самом изделии.

Приведем примеры (рис. 6.2) функциональных связей между степенью повреждения U и выходным параметром X. Следует иметь в виду, что эта зависимость, как правило, неслучайна или ее стохастическая природа проявляется весьма слабо.

Рис. 6.2. Примеры функциональных зависимостей между степенью поврежденья изделия U и его выходным параметром X [11];

а) износ - рост зазора; б) износ - динамические нагрузки; в) коррозия - давление; г) износ - коэффициент трения

Наиболее типична линейная зависимость (рис.6.2, а), когда U и X связаны передаточным коэффициентом. Так, при износе сопряжения зазор А, как правило, непосредственно увеличивается, т. е. А = Д₀ + С/, где Х_п = Д₀ - начальный зазор. Нелинейная зависимость между Xu U может быть проиллюстрирована на примере возникновения динамических нагрузок Р₍₎ при наличии зазоров в сопряжении в результате его износа (рис. 2, б). Сила соударения двух упругих тел нелинейно зависит от величины зазора и может быть получена из решения соответствующих дифференциальных уравнений динамики. В ряде случаев зависимость выходного параметра от степени повреждения может иметь зону нечувствительности с последующим резким изменением значения X (рис. 6.2, в). Примером может служить влияние степени коррозии резервуара на его способность воспринимать необходимое давление помещенной в нем жидкости. Вначале коррозия не влияет на выходной параметр - давление в резервуаре, но после любого локального повреждения стенки на глубину U = 8 резервуар теряет способность даже содержать жидкость. Аналогичные зависимости между X и V обычно имеют место при изменении условий работы изделия при достижении определенной (критической) степени повреждения Uk_p. Так, подшипник скольжения, работающий со смазкой (рис. 6.2, г), при определенной величине диаметрального зазора обеспечивает жидкостное трение, и если выходным является коэффициент трения, то его значение минимально.

В процессе износа подшипника (в период пуска или реверса, когда нарушается жидкостное трение) диаметральный зазор растет и принимает такое критическое значение, когда условия гидродинамической смазки нарушаются, характер трения изменяется, в результате чего коэффициент зрения возрастает.

Таким образом, в общем случае временная зависимость для выходного параметра определяется как

где обычно функция U(t) является случайной, а функция/описывает детерминированную зависимость.

Во многих случаях выходной параметр изделия зависит от нескольких повреждений: U?; U2; 1Л, которые могут иметь

различ-ные законы изменения во времени. Так, точность перемещения ведо-мого звена механизма зависит от коррозии, усталости и износа ее элементов и т. п.

Поэтому в общем случае можно записать

При линейных зависимостях U(t) = kt удобнее пользоваться значением скорости ппотекания ппопесса у. в этом случае

Сложные изделия, как правило, характеризуются не одним, а несколькими выходными параметрами: Х2; ...; Х_п. В этом случае

данный вид повреждения может оказывать влияние на изменение разных выходных параметров и характеризоваться соответствующими функциональными связями между U и X:

В общем случае зависимости для выходных параметров могут быть записаны системой уравнений

В качестве примера влияния данного повреждения - износа U сопряжения «поршень-цилиндр» на выходные параметры изделия на рис. 6.3 представлены результаты исследований, работоспособности пневматических горных машин (молотков, перфораторов), проведенных заводом «Пневматика». Изменения рабочих характеристик перфораторов связано с износом указанного основного сопряжения, что приводит к падению мощности Xj = [кВт], числа ударов молотка в минуту Х₂ = п [с¹], вращающего момента Х₃ = Мкр [Н м], работы удараХ₄ = А [Н-м].

Рис. 6.3. Влияние износа сопряжения «цилиндр-поршень» на выходные параметры перфоратора (А, Н м - работа удара, М, Н м - вращающий момент; п, с'¹ - циклы в секунду; N, кВт - мощность) [5]

Вес это непосредственно влияет на эффективность работы горного оборудования, поэтому нормативы устанавливают предельные значения для каждого из указанных параметров.

Зависимость между степенью повреждения и выходным параметром определяет процесс формирования выходного параметра.

Формирование закона изменения выходного параметра во времени. Закон изменения выходных параметров во времени X(t) формируется под влиянием протекания случайного процесса повреждения изделия и его элементов и, как правило, неслучайной переходной функции X = f(U).

При линейной зависимости X от U законы изменения выходных параметров аналогичны соответствующим закономерностям для U(t). Это наиболее типичный случай для большинства изделий.

При наличии нелинейной зависимости между V и X (как это показано на рис. 6.2, б-г) происходит формирование реализаций выходного параметра по схеме, приведенной на рис. 6.4. В качестве примера взят непрерывно убывающий процесс повреждения U(t) и

Рис. 6.4. Схема формирования закона изменения выходного параметра изделия X (t) [11]

нелинейная зависимость между U и X (см. рис.6.2, б), когда по мере роста степени повреждения выходной параметр изменяется со все возрастающей интенсивностью. Из построения двух реализаций для выходных параметров X/ и X? видно, что они более существенно отличаются друг от друга, чем определяющие их реализации U_f и U2. Это связано с характером функции X = f(U), изменяющей исходные закономерности. Возможны варианты, когда линейное изменение во времени степени повреждения приведет к нелинейным изменениям выходного параметра и наоборот. Поэтому исследование и анализ выходных параметров изделия должны базироваться на оценке указанных двух основных факторов, определяющих их формирование, что не всегда учитывается экспериментаторами.

На рис. 6.5, с. 113 приведено два примера экспериментальных исследований изменения выходных параметров изделия X(t) и их стохастической природы. На рис. 6.5, а показаны результаты испытания уровня настройки электроконтактного датчика БВ-1005. В процессе эксплуатации происходит смещение уровня настройки, причем в результате действия многих факторов (качества датчика, условий работы и др.) этот процесс носит случайный характер. Как видно из графиков, процесс имеет значительную дисперсию и склонность к перемешиванию реализаций. Однако математическое ожидание процесса близко к линейному и характеризует постепенное смещение уровня настройки датчика, что определяет надежность его работы.

Рис. 6.5. Исследование изменения, выходных параметров [5]: а - смешение уровня настройки датчика; б - подача топлива плунжерным насосом

Другой пример (рис. 6.5, б) - исследование изменения гидравлической плотности прецизионных пар топливной аппаратуры при их износе [5]. Износ плунжерной пары насоса приводит к существенному изменению цикловой подачи топлива, что сопровождается одновременным ростом неравномерности подачи. Здесь реализации процесса не имеют склонности к перемешиванию и имеют малое рассеивание, так как режим работы изделия более стабильный.

Знание закономерностей изменения выходных параметров во времени (с учетом их стохастической природы) необходимо для построения модели, оценивающей возможность возникновения отказа.