ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Металлургические машины являются сложными техническими системами непрерывного действия, большой единичной производительности, работающими в условиях интенсивного нагружения и неблагоприятной окружающей среды.

В состав агрегатов входят десятки машин, сотни единиц узлов и тысячи деталей, каждая из которых имеет свой определенный, заранее неизвестный срок службы. Поэтому время нахождения оборудования в работоспособном состоянии является величи­ной случайной и с течением времени отказ неизбежен.

Для поддержания оборудования в работоспособном состоянии на металлургических предприятиях действует система технического обслуживания и ремонтов машин и агрегатов, призванная обеспечить безотказную работу в межремонтный период.

В период плановых остановок оборудования проводится большой объем ремонтно-восстановительных работ и тем не менее не удается избежать отказов, приводящих к потерям производства и дополнительным затратам на восстановление. Другая проблема заключается в том, что при существующей системе учета отказов оборудования нет объективной информации о техническом состоянии оборудования и, следовательно, присущ субъективный подход к определению содержания и объема ремонтных работ. Оптимальное планирование объема ремонтных работ, в принципе, невозможно, так как имеющаяся информация не приспособлена для обработки на ЭВМ.

Следует заметить, что только наличие объективной информации о техническом состоянии оборудования, возможность обработки ее на ЭВМ позволяют использовать возможности, предоставляемые теорией надежности.

В противном случае теория надежности остается только теорией, позволяющей понимать закономерности возникновения отказов, взаимосвязь элементов системы, поведение системы с течением времени, но не способной прогнозировать и выдавать рекомендации для принятия решений.

То есть отсутствие информации о работоспособном состоянии машины с течением времени есть отсутствие информации о свойстве, присущем любой машине.

Это несколько абстрактное, но важное свойство машины получило название надежность.

Надежность – один из важнейших показателей, характеризующих качество машин, является. Уровень надежности характеризует развитие техники по основным ее направлениям: автомати­зации производства, интенсификации рабочих процессов и транспорта, экономии трудовых и материальных ресурсов. Недостаточная надежность машин и оборудования вызывает огромные затраты на их техническое обслуживание и ремонт, потери от простоев, перебои в работе транспорта, снабжении населения топливом, электроэнергией и водой, аварий и их последствий с боль­шим экономическим ущербом и человеческими жертвами. Избыточная надежность машин и оборудования связана с низкой эффективностью их производственного использования, перерасходом материальных и энергетических ресурсов. Поэтому надежность машин и оборудования занимает одно из главных мест среди показателей их качества.

Теория надежности – это теория, которая устанавливает за­кономерности возникновения отказов объектов и методы их про­гнозирования; изыскивает способы повышения надежности изде­лий при конструировании, изготовлении и поддержания их работо­способного состояния во время эксплуатации; разрабатывает ме­тоды контроля надежности изделий.

Определение надежности. Надежностью называют свойство объекта (машины, прибора, механизма, детали) выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и. транспортирования (ГОСТ 27.002—89). Теория надежности изучает общие закономер­ности, которых следует придерживаться при проектировании, испытаниях, изготовлении, приемке и эксплуатации изделий для получения максимальной эффективности их использования. Она выявляет законы возникновения отказов и восстановления работоспособности изделий, создает основы расчета надежности и прогнозирования отказов, изыскивает способы повышения надежности при конструировании и изготовлении изделий, а также ее сохранения при эксплуатации, определяет методы сбора, учета и анализа статических сведений, характеризующих надежность. Свойства надежности. Надежность является комплексной характеристикой, включающей следующие свойства: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Безотказностью называют свойство объекта непрерывно сох­ранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Наработкой называют продолжительность или объем работы объекта. Ее измеряют в единицах времени, числом рабочих циклов, количеством перемещенных грузов. Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной си­стеме технического обслуживания и ремонтов. Под ремонтопригодностью понимают свойство объекта, заключающееся в при­способленности к предупреждению и обнаружению причин воз­никновения его отказов, повреждений и устранению их послед­ствий путем ремонтов и технического обслуживания. Сохраня­мость — свойство объекта непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Для конкретных видов ПТМ в зависимости от условий их применения эти свойства могут иметь различную относительную значимость. Например, для крана, отказ которого может явиться причиной несчастного случая или повлечь крупные убытки от простоев, наиболее существенно свойство безотказности, а для конвейерной линии с вместительными промежуточными емко­стями — свойство ремонтопригодности, так как непродолжительные отказы не влияют на производительность линии.

В теории надежности различают: состояния — исправное (исправность), неисправное (неисправность), работоспособное (работоспособность), неработоспособное (неработоспособность) и предельное; события — повреждение и отказ.

В исправном состоянии объект соответствует всем требованиям нормативно-технической документации, а в неисправном состоянии — не соответствует хотя бы одному из них.

В работоспособном состоянии объект способен выполнять заданные функции и сохранять значения всех параметров в пределах, установленных нормативно-технической и (или) конструкторской документацией.

Неработоспособное состояние — это такое со­стояние, при котором значение хотя бы одного из параметров не соответствует этим требованиям. Понятие «исправность» шире понятия «работоспособность»: исправный объект удовлетворяет всем требованиям, а работоспособный — лишь тем, которые обеспечивают его нормальное функционирование. Например, конвейер с небольшим повреждением ленты работоспособен, но неисправен.

Предельным состоянием называют такое состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекра­щена вследствие: неустранимого нарушения требований безопас­ности; неустранимого изменения параметров по сравнению с за­данными значениями; неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой; необходимости проведения сред­него или капитального ремонта. Например, предельным может быть состояние каната, при котором он подлежит выбраковке сог­ласно Правилам [38, п. 278]; состояние тормоза, когда тормозной момент не соответствует Правилам [38, п. 1301; состояние крана в целом по окончании установленных сроков эксплуатации до капитального (среднего) ремонта в соответствии с Единой систе­мой ППР [15].

Повреждением называют событие, связанное с нарушением исправности объекта или его составных частей. Оно может быть существенным (являться причиной нарушения работоспособности) и несущественным (при сохранении работоспособности). Напри­мер, падение крупного куска груза на ленту конвейера вызвало сквозную пробоину. Это же воздействие могло вызвать сквозной продольный порез ленты, если бы упавший кусок застрял в за­грузочной воронке. В первом случае конвейер остался работоспо­собным, а во втором его работоспособность была нарушена, так как груз просыпался в месте пореза, и конвейер эксплуатировать стало нельзя. Некоторые незначительные повреждения со време­нем могут переходить в значительные с отказами объекта.

Отказом называют событие, заключающееся в нарушении ра­ботоспособности объекта. Признаки (критерии) отказов устанав­ливают нормативно-технической документацией. При классифи­кации отказов применяют термины: незасисимый и зависимый, внезапный и постепенный, перемещающийся, конструкционный, производственный и эксплуатационный и др.

Независимым отказом называют отказ, не обусловленный от­казом другого объекта, в отличие от зависимого, возникновение которого связано с отказом одного или нескольких других объ­ектов данной системы. Внезапные отказы характеризуются скачко­образным недопустимым изменением одного или нескольких за­данных параметров объекта. Возникают они, как правило, без предшествующих симптомов в результате неблагоприятного со­четания внешних воздействий, превышающих возможности объ­екта к их восприятию. Чаще всего при таких отказах изделие сов­сем не может выполнять своих функций (поломка вала механизма подъема, обрыв тяговой цепи или подъемного каната и др.). Внезапные отказы подобного рода называют в литературе отка­зами функционирования. Постепенные отказы, связанные, как печивают его нормальное функционирование. Например, конвейер с небольшим повреждением ленты работоспособен, но неисправен. Предельным состоянием называют такое состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекра­щена вследствие: неустранимого нарушения требований безопас­ности; неустранимого изменения параметров по сравнению с за­данными значениями; неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой; необходимости проведения сред­него или капитального ремонта. Например, предельным может быть состояние каната, при котором он подлежит выбраковке; состояние тормоза, когда тормозной момент не соответствует Правилам; состояние крана в целом по окончании установленных сроков эксплуатации до капитального (среднего) ремонта в соответствии с Единой систе­мой ППР.

Повреждением называют событие, связанное с нарушением исправности объекта или его составных частей. Оно может быть существенным (являться причиной нарушения работоспособности) и несущественным (при сохранении работоспособности). Напри­мер, падение крупного куска груза на ленту конвейера вызвало скжззную пробоину. Это же воздействие могло вызвать сквозной продольный порез ленты, если бы упавший кусок застрял в за­грузочной воронке. В первом случае конвейер остался работоспо­собным, а во втором его работоспособность была нарушена, так как груз просыпался в месте пореза, и конвейер эксплуатировать стало нельзя. Некоторые незначительные повреждения со време­нем могут переходить в значительные с отказами объекта.

Отказом называют событие, заключающееся в нарушении ра­ботоспособности объекта. Признаки (критерии) отказов устанав­ливают нормативно-технической документацией. При классифи­кации отказов применяют термины: незасисимый и зависимый, внезапный и постепенный, перемещающийся, конструкционный, производственный и эксплуатационный и др.

Независимым отказом называют отказ, не обусловленный от­казом другого объекта, в отличие от зависимого, возникновение которого связано с отказом одного или нескольких других объ­ектов данной системы. Внезапные отказы характеризуются скачко­образным недопустимым изменением одного или нескольких за­данных параметров объекта. Возникают они, как правило, без предшествующих симптомов в результате неблагоприятного со­четания внешних воздействий, превышающих возможности объ­екта к их восприятию. Чаще всего при таких отказах изделие сов­сем не может выполнять своих функций (поломка вала механизма подъема, обрыв тяговой цепи или подъемного каната и др.). Внезапные отказы подобного рода называют в литературе отка­зами функционирования. Постепенные отказы, связанные, как правило, с процессами изнашивания, коррозии, усталости и ползучести, характеризуются постепенным изменением одного или нескольких параметров объекта с выходом их за допустимые пре­делы (недопустимое снижение мощности двигателя в результате износа деталей цилиндропоршневой группы; недопустимое увеличение тормозного пути в результате износа деталей тормоза и др.). Такие отказы в литературе называют параметрическими. Перемежающимися называют многократно повторяющиеся отказы одного и того же характера, обусловленные дефектами конструкции, нарушением процесса изготовления, низким качеством монтажа, неправильной эксплуатацией. Подобные отказы называют также систематическими. Деление отказов на конструкционные, производственные и эксплуатационные связывают с тем, на какой стадии жизненного цикла объекта допущены несовершенства или нарушены установленные правила, нормы, требования и условия, обусловившие возникновение отказа.

Отказы могут являться и являются следствием ошибок или недостаточного уровня знаний конструктора, или нарушения уста­новленных правил и норм проектирования и конструирования. Та­кие отказы носят название конструктивные отказы.

Отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или с нарушением установленного процесса изготовления или ре­монта, выполняемого на ремонтном предприятии, получил назва­ние производственный отказ.

Если нарушения установленных правил и (или) условий экс­плуатации приводят к возникновению отказа, то такой отказ назы­вается эксплуатационным отказом.

Для металлургических машин при пуске их в эксплуатацию наиболее характерными являются внезапные конструктивные отказы.

При установившемся процессе эксплуатации наиболее часто возникают внезапные эксплуатационные отказы.

Если прочностные свойства детали не изменяются, то вне­запный отказ связан с перегрузкой. Если же в результате много­кратного воздействия предельных нагрузок происходит снижение прочностных свойств, то происходит внезапный отказ, связанный с развитием усталостных трещин.

Но внезапные отказы могут являться и следствием разброса механических свойств материала, из которого изготовлена деталь, и уровня нагрузок, действующих на нее.

Различают также полные отказы, при котором объект не может функционировать (например, при упомянутой поломке вала), и частичный, после которого объект можно использовать по на­значению, но с меньшей эффективностью. Например, при отказе свечи зажигания автомобильный кран может двигаться, но с меньшей скоростью из-за падения мощности двигателя. В этом случае отказ самой свечи будет полным, а отказ крана — частичным.

Большинство отказов связано с необратимыми процессами в машинах (процессами старения). Их внешними проявлениями являются: разрушение, деформация, изменение свойств материалов (механических и магнитных, структуры, химического состава), загрязнение смазочного материала и топлива, разъедание (коррозия, эрозия, кавитация, прогар, трещинообразование и др.), наростообразование (налипание, нагар, заращивание отверстий — облитерация и др.), изменение свойств поверхностного слоя (шероховатости, твердости, напряженного состояния и др.), изнашивание (истирание, усталостное разрушение поверхностных слоев, смятие, перенос металла) изменение условий контакта (площади касания, сплошности смазочного материала и др.). Наиболее характерными для ПТМ внешними проявлениями процессов ста­рения являются разрушение и изнашивание деталей. Их природа более подробно рассмотрена ниже.

При анализе отказов и повреждений рассматривают их причины и последствия. Причинами отказа могут быть дефекты, допущенные при конструировании, производстве и ремонтах, нару­шения правил и норм эксплуатации, различного рода повреждения, а также естественные процессы изнашивания и старения. Последствия отказа — явления, процессы и события, возникшие после отказа (повреждения) и в непосредственной причинной связи с ним, например, падение груза вследствие обрыва каната.

Объекты. Различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые объекты. Восстанавливаемый объект — объект, исправность которого при возникновении отказа или повреждения подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации; невосстанавливаемыйобъект — объект, не подлежащий восстановлению. Все ПТМ относят к числу восстанавливаемых, а отдельные их элементы могут быть как восстанавливаемыми, так и невосстанавливаемыми. Например, к числу последних относят подшипники качения, кли­новые ремни, стальные канаты, изношенные приводные цепи, уплотнения, некоторые элементы электрооборудования и др., т. е. то, что невозможно восстановить в условиях эксплуатации. Нередко к ним относят также зубчатые колеса, валы, зубчатые муфты, крепежные изделия и другие элементы, восстановление которых невыгодно.

Рис. 1. Графики работы (а) и потока отказов объекта (б)

Поток отказов.Наглядное представление о надежности машин по данным Я. Б. Шора дают графики их работы (рис. 1, а). На горизонтальной оси графика от некоторого начального момента 0 откладывают периоды времени работы (ра), ремонтов (ре), выполняемых при возникновении отказа, и технических обслуживании — профилактик (пр). Эти периоды могут быть различными по продолжительности и чередованию. При всей простоте такой график содержит обширную информацию о надежности машины. Если промежутки ра короткие — машина имеет низкую безотказность, а длинные участки ре и свивидетельствуют о низких ремонтопригодности и эксплуатационной технологичности. По графику можно судить и о долговечности машины: чем длиннее пери­оды, тем выше долговечность. По отрезкам ра работы можно построить график потока отказов (рис. 1). Отрезки t₁ ... t₅ на нем соответствуют отрезкам ра по графику работы.

Резервирование— применение дополнительных (избыточных) средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов.

Различают следующие виды резервирования: общее, при котором резервируют объект в целом, например, вместо требующейся одной машины устанавливают две, три и более; временное — с использованием резервов времени, например, второй и третьей смены; функциональное — с использованием способности элементов выполнять дополнительные функции, например, способность канатов ведущего шкива лифта предохранять канаты от обрыва; нагрузочное — с использованием способности объекта воспринимать дополнительные нагрузки, обеспечивать повышенную производительность и др.; замещением — с выполнением другим объ­ектом функций отказавшего объекта (например, установка аварийного тормоза); смешанное — с совмещением различных видов резервирования; постоянное — с функционированием резервных элементов (объектов) наравне с основными и др. Наиболее распространенным является общее резервирование: при минимально необходимом одном лифте в жилом доме устанавливают два, при двух необходимых эскалаторах устанавливают три или четыре и т. д. Отношение числа резервных элементов (объектов) к числу резервируемых называется кратностью резерва. Резервирование с кратностью, равной единице, называется дублированием. Дублирование — наиболее экономичный вид общего резервирования.

В теории надежности при рассмотрении надежности объек­тов введены понятия "система" и "элемент".

Под системой будем понимать множество элементов и связь между ними, образующих некоторую целостность. Под эле­ментом понимают часть системы, предназначенную для выполне­ния определенных функций и неделимую на составные части при данном уровне рассмотрения.

То есть только уровень рассмотрения определяет отнесение того или иного объекта, образующего некоторую целостность, к системе или элементу.

Например, линия привода горизонтальных валков может рассматриваться как элемент, входящий в систему, - рабочая клеть. В то же время линия привода горизонтальных валков может рассматриваться как система с входящими в нее элементами: узел валков, узел шпиндельного соединения, узел шестеренной клети, электропривод. Все зависит от того, какие задачи мы ставим при исследовании надежности того или иного объекта.

Как правило, при исследовании надежности металлургиче­ских машин в процессе эксплуатации в качестве элементов прини­маются детали или узлы, которые подвергаются замене или вос­становлению в процессе технического обслуживания или ремонта металлургических агрегатов.

ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ

Внезапные и постепенные отказы с течением вре­мени приводят к переходу объекта из работоспособного состоя­ния в неработоспособное предельное состояние. Этот переход может происходить или мгновенно, или постепенно в зависимо­сти от вызвавших его причин в результате внезапного или по­степенного отказа.

Внезапный отказ происходит из-за превышения действую­щей нагрузки несущей способности объекта или в результате ошибок расчета и конструирования, или вследствие наличия скрытых дефектов изготовления, пли в результате нарушения правил эксплуатации. Внезапный отказ обычно связан с полом­ками деталей, появлением остаточных деформаций, потерей устойчивости, заеданием или расплавлением.

Постепенный отказ наступает при полном использовании ре­сурса объекта вследствие естественного старения или изнаши­вания материала объекта. Большинство деталей подъемно-транспортных, строительных и других подобных машин пере­ходит в неработоспособное предельное состояние в результате постепенного отказа. Постепенный отказ не может быть пред­отвращен обеспечением выполнения правил эксплуатации. Улучшение или ухудшение условий эксплуатации может лишь замедлить или ускорить появление постепенного отказа. Полное исключение постепенных отказов возможно лишь профилакти­ческой заменой элементов, близких к предельному состоянию. Профилактическая замена элементов является важнейшим сред­ством повышения надежности объектов.

Причинами внезапных и постепенных отказов являются: хрупкое разрушение, пластическая деформация, ползучесть, усталость материалов, изнашивание, коррозия металлов, ста­рение материалов.

Хрупкое разрушение деталей происходит при возник­новении больших ударных нагрузок, при работе в условиях низких температур (низкотемпературное охрупчивание некото­рых видов конструкционных сталей с примесью азота), боль­ших остаточных напряжениях, например в сварных соедине­ниях, наличии местных дефектов в материале, большой кон­центрации напряжений, действии факторов, не связанных с механическим напряжением (тепловое и радиационное охруп­чивание). Хрупкое разрушение является причиной выхода из строя сварных соединений, чугунных отливок, фасонных деталей с объемной термообработкой до высокой твердости и т. д.

Пластическая деформация возникает при перегруз­ках деталей из вязких (пластичных) материалов, к которым, на­пример, относятся незакаленные и высокоотпущенные стали. Вследствие пластической деформации происходит изменение геометрической формы деталей (искривление осей и валов, осадка пружин, вмятины на поверхностях качения бандажей, рельсах, дорожках качения шариков подшипников, шпонках, шлицах и т. д.).

Ползучесть — медленная и непрерывная пластическая деформация детален, возникающая при длительном действии напряжений выше предела упругости, нагреве до температур ре­кристаллизации.

Усталость материалов — процесс изменения суб­структуры, микроструктуры и макроструктуры материала под длительным действием циклически изменяющихся во времени механических напряжений и деформаций, сопровождающийся изменением физических и механических свойств. Наиболее практическое значение имеет усталостное разрушение свойств материала.

Усталость материалов существенно зависит от многих фак­торов, к которым относятся: масштабный фактор (абсолютные размеры поперечного сечения), факторы нагружения (вид на­пряженного состояния, концентрация напряжений, остаточные напряжения, зависящие от условий изготовления детачп час­тота нагружения, история нагружения), состояние поверхност­ного слоя (химический состав, механические свойства каче­ство обработки поверхности), эксплуатационные факторы (окружающая среда, температура, коррозия).

Износ является результатом изнашивания. Изнашиванием называется процесс изменения размеров, формы, массы или со­стояния поверхности объекта вследствие разрушения микро­объемов поверхностного слоя объекта при трении. Различают механическое, молекулярно-механическое и коррозионно-меха-ническое изнашивание.

Механическое изнашивание имеет несколько разновидностей: абразивное, гидроабразивное, пневмоабразивное, усталостное, эрозионное, кавитационное. Абразивное изнашивание является результатом режущего или царапающего действия твердых тел или частиц. Абразивному изнашиванию подвержены многие элементы ПТМ: тормозные пары, зубчатые и червячные пере­дачи, подшипники скольжения, шарнирные соединения и т. д.

Гидроабразивное и пневмоабразивное изнашивание является результатом воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа. Гидроабразивное изнашивание имеет место в оборудовании гидротранспорта полезных иско­паемых (пульповоды), а пневмоабразивное — в установках пнев­мотранспорта (трубопроводы). Наиболее интенсивно изнаши­ваются те их зоны, где изменяется направление движения по­тока жидкости или газа.

Усталостное изнашивание появляется в результате повтор­ного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц на поверхности трения или на ее отдельных участках. Этот вид изнашивания часто называют контактной усталостью, питтингом, осповидным износом.

Эрозионное изнашивание появляется в результате воздей­ствия на поверхность потока жидкости или газа.

Кавитационное изнашивание возникает в результате воздей­ствия на поверхность твердого тела потока жидкости в условиях кавитации, т. е. в условиях нарушения сплошности течения жидкости и образования кавитационных пузырьков.

Молекулярно-механическое изнашивание появляется в ре­зультате одновременного механического воздействия и воздействия молекулярных сил. Разновидностью молекулярно-механического изнашивания является изнашивание при заедании в ре­зультате схватывания и вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность.

Коррозионно-механическое изнашивание является результа­том трения материала, вступившего в химическое взаимодей­ствие со средой. Коррозионно-механическое изнашивание под­разделяют на окислительное и фретннг-коррозионное изнаши­вания.

Окислительное изнашивание — процесс механического раз­рушения окисных пленок, возникающих на поверхностях трения при взаимодействии с химически активной (коррозионной) сре­дой. Окислительное изнашивание наблюдается в узлах трения ПТМ, работающих в коррозионных средах (конвейеры гальвани­ческих цехов, конвейеры-кормораздатчики, навозоуборочные конвейеры) или при высоких температурах (вкладыши подшип­ников, поршни, цилиндры двигателей внутреннего сгорания).

Фретинг-коррозионное изнашивание возникает при трении скольжения с малыми возвратно-поступательными перемеще­ниями, при которых происходит разрушение окисных пленок без их удаления из зоны трения. Окислы способствуют увели­чению изнашивания, и на сопряженных поверхностях образуются кратеры с выкрошенным металлом. Этот вид изнашивания на­блюдается в зацеплениях зубчатых муфт, шлицевых и шпоноч­ных соединениях, гнездах подшипников качения и др.

Коррозия — процесс разрушения материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия с внеш­ней (коррозионной) средой. В зависимости от вида среды разли­чают коррозию атмосферную, газовую и в электролитах. Наи­более интенсивно развивается коррозия металлов в электроли­тах. Коррозия изменяет форму и размеры деталей, снижает их работоспособность, уменьшает прочность и выносливость при переменных механических напряжениях.

Коррозионная усталость — понижение предела вы­носливости металла или сплава, возникающее при одновремен­ном воздействии переменных циклических напряжений и корро­зионной среды. Разрушение металла происходит в результате появления сетки микротрещин транскристаллнтного или меж-кристаллитного типа, переходящих в крупную трещину корро­зионной усталости. Пределом коррозионной усталости назы­вается максимальное механическое напряжение, при котором металл не разрушается после одновременного воздействия уста­новленного числа циклов переменной нагрузки и заданных кор­розионных условий. В результате коррозии ежегодно теряется от 1 до 1,5% всего металла, накопленного и эксплуатируемого человечеством.

Старение материалов и сплавов — диффузионный процесс постепенного перехода твердого материала из неравновесного исходного состояния в равновесное, сопровождающийся изменением механических, физических и химических свойств и объема. Этот переход связан или со структурными превраще­ниями, или представляет собой релаксационный процесс. При старении может происходить как ухудшение, так и улучшение свойств материалов или нередко улучшение одних свойств при одновременном ухудшении других как в процессе производ­ства, так и в процессе эксплуатации.

Изменение механических свойств сплавов при старении характеризуется кривой с экстремумом. На начальных ста­диях наблюдается упрочнение сплава, повышение его твер­дости, уменьшение пластичности. На последних стадиях проч­ность сплава снижается при одновременном повышении пла­стичности.

Старение изменяет сопротивляемость сплава коррозии. При старении часто возникает коррозионное растрескивание по гра­ницам зерен при механическом напряжении. Изменяется элек­трическое сопротивление сплава, коэрцитивная сила.

Старение зависит от многих факторов, но наибольшее влия­ние оказывает температура. Старение разных сплавов происхо­дит в широком диапазоне температур — от очень высоких до очень низких. Эти температуры создаются при термической обра­ботке сплава в процессе производства и могут быть характерны­ми для обычных условий эксплуатации многих объектов.

Старение используют в процессе производства для улучше­ния или стабилизации свойств материалов, например повышение механической прочности алюминиевых, медных и никелевых сплавов, повышение жаропрочности никелевых сплавов, увели­чение коэрцитивной силы медных сплавов и т. д. Оптимальный комплекс свойств для некоторых сплавов достигается после сложного старения при разной температуре в определенной по­следовательности в связи с различиями процесса распада пере­сыщенного твердого раствора в разных температурных интер­валах.

Старение полимеров — процесс постепенного измене­ния структуры и химического состава полимеров под действием внешних факторов, сопровождающийся изменением механиче­ских, физических и химических свойств.

Старение происходит при переработке и хранении полимеров, а также при хранении и эксплуатации объектов. Старение суще­ственно ухудшает свойства полимеров, и они часто становятся непригодными для практического использования. При старении полимеров появляются и разрастаются трещины на их поверх­ности, приводящие иногда к полному разрушению. При длитель­ном воздействии достаточно высокой температуры прочность полимера понижается вследствие разложения полимера. При старении натурального каучука на воздухе в результате де­струкции происходит его размягчение, в то время как структу­рирование приводит к охрупчиванию каучука. При старении каучуков и резин уменьшается их эластичность, увеличивается газопроницаемость и ухудшаются диэлектрические свойства.

Старение полимеров вызывается действием многих факто­ров: теплоты, кислорода, озона, солнечного света, ионизирую­щих излучений, проникающей радиации, влаги, механических напряжений, биологических факторов (например, воздействие микроорганизмов). В условиях эксплуатации на полимеры воз­действует одновременно несколько факторов, например теп­лота, кислород, озон, солнечный свет, влага и др. В соответствии с фактором воздействия различают следующие виды старения: термическое, термоокислительное, озонное, фотохимическое, ра­диационное, гидролитическое и др.

Скорость старения зависит от состава полимерного мате­риала, от чувствительности полимера к воздействию внешних факторов и от интенсивности этих факторов. Важный фактор, ускоряющий старение, — механические напряжения, возникаю­щие в полимерах при их переработке и эксплуатации объектов из них.

Стойкость полимеров к старению во многих случаях опре­деляет сроки хранения и сроки службы объектов. Эффективный способ повышения стойкости полимеров к старению — стабили­зация. Стабилизация основана на применении стабилизаторов полимеров (ингибиторов старения), веществ, тормозящих ста­рение полимеров.

НЕКОТОРЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ

Событие — всякое явление, которое при осуществлении определенной совокупности условий может либо произойти, либо не произойти.

Вероятностью события называется численная мера степени объективной возможности этого события. Вероятность события А обозначается Р(А). Проходящие в природе события можно подразделить на три вида: достоверные, невозможные и случайные.

Случайным называется событие, которое при осуществлении определенной совокупности условий может либо произойти, либо не произойти. Вероятность случайного события А заключена между нулем и.единицей 0 < Р(А) < 1.

Каждое случайное событие является следствием действия многих случайных факторов (причин). Невозможно учесть влияние на результат всех этих факторов, так как законы их действия неизвестны, а число их очень велико. Поэтому невозможно заранее предсказать, произойдет или не произойдет каждое единичное случайное событие. Однако массовые однородные случайные события, независимо от их конкретной природы, при вы­полнении одних и тех же определенных условий подчиняются вероятностным закономерностям. Вероятностные закономерности массовых однородных случайных событий позволяют предвидеть частоту их проявления при осуществлении определенной совокупности условий.

Для решения задач теории надежности используют методы теории вероятностей, математической статистики, теории массового обслуживания, теории информации, статистического мо­делирования и др.

Случайная величина — величина, которая может при­нять какое-либо неизвестное заранее возможное значение, за­висящее от случайных факторов (причин), которые не могут быть учтены. Случайные величины могут быть дискретными и непрерывными.

Большинство показателей надежности являются случайными величинами— в результате опыта они могут принимать то или иное заранее неизвестное значение. Случайная величина может быть либо дискретной— разделенной, прерывистой (число отказов за время t, число отказавших изделий при испытаниях, заданного объема и др.),

Т.е. это случайная величина, принимающая отделенные друг от друга возможные значения, которые можно перенумеровать, т. е. записать в виде последо­вательности t₁, t₂, ..., t_n, ... Число возможных значений дис­кретной случайной величины может быть конечным или беско­нечным. Дискретными случайными величинами в теории надеж­ности являются: количество невосстанавливаемых объектов, от­казавших в заданном интервале времени; количество отказов восстанавливаемого объекта в заданном интервале времени; количество объектов, восстановленных в заданном интервале времени.

либо непрерывной(срок службы, время работы до отказа, время восстановления работоспособности, время простоя в ремонте, число часов работы от одного ремонта до дру­гого, продолжительность технического обслуживания — профилактики и др.). Непрерывные случайные величины могут прини­мать любые, заранее неизвестные значения, теоретически — в ин­тервале от нуля до бесконечности, а практически — в определен­ном интервале. Например, если срок службы крановых колес колеблется в пределах 0—5 лет, то у всех (или почти у всех) обследуемых колес он уложится в этот интервал, а для каждого отдель­ного колеса его значение будет случайным, заранее неизвестным.

Непрерывной называется случайная величина, возможные значения которой непрерывно заполняют некоторый конечный или бесконечный промежуток. Число возможных значений не­прерывной случайной величины, очевидно, бесконечно. Непре­рывными случайными величинами в теории надежности яв­ляются: наработка, ресурс, срок службы, время восстановления, срок сохраняемости.

Наработка — продолжительность или объем работы объ­екта. Наработка может измеряться в единицах времени, массы, длины, площади, объема, в циклах и т. д. Например, наработка грузоподъемного крана в тоннах груза наработка автомо­бильной шины – в километрах пробега, наработка экскава­тора – в кубометрах грунта, наработка реле – в циклах вью­чения, наработка телевизора — в часах работы и т д

Наработка может быть суточной, месячной, до первого от­каза, между отказами, до предельного состояния и т. п. При работе объекта с перерывами учитывается суммарная нара­ботка. При эксплуатации объекта в различных режимах на­грузки каждый ее уровень учитывается отдельно. Наработку не следует смешивать с календарной продолжительностью эксплуатации. Например, наработка лифта в течение одного года службы может составлять всего 1000 ч, хотя один год со­держит 8760 ч.

Наработка является обобщающим понятием для продолжительности или объема работы объекта, необходимым в инте­ресах общности методических разработок, которое позволяет применить одни и те же математические методы к объектам раз­личного вида и назначения.

Ресурс — наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние. Ресурс объекта является слу­чайной величиной, изменение которой вызывают многие при­мерно равнозначные по действию технологические и эксплуа­тационные факторы: отклонение размеров объекта, отклонение механических характеристик материала объекта, отклонение макро- и микроструктуры материала объекта, отклонение ре­жимов термообработки, изменение механических, тепловых и других нагрузок, изменение атмосферных условий, изменение абразивной среды на поверхностях трения, изменение условий смазывания и т. д.

Ресурс является основным показателем долговечности дета­лей, узлов и агрегатов машин. Различают: ресурс средний, ме­дианный, гамма-процентный, до первого капитального ремонта, межремонтный, суммарный, назначенный.

Срок службы — календарная продолжительность от на­чала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние. Срок службы также является случайной величиной, так как опреде­ляется ресурсом объекта и временем, в течение которого объект не работает и которое в общем случае также является случай­ной величиной.

Срок службы является основным показателем долговечности машин. Различают: срок службы средний, медианный, гамма-процентный, до первого среднего или капитального ремонта, межремонтный, до морального износа, до списания.

Время восстановления работоспособного со­стояния — продолжительность восстановления работоспособ­ного состояния объекта. Время восстановления объекта —случайная величина, так как каждое слагаемое этой суммы является случайной величиной.

Срок сохраняемости — календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования объекта, в течение и после которой сохраняются значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в установленных пределах. Срок сохраняемости объекта также является случайной величиной, так как его определяют многие изменяющиеся во времени факторы: условия хранения, защита от вредных внешних воздействий, защита от коррозии, стойкость к старению материалов и т. д.

При большом числе опытных данных обнаруживаются опреде­ленные закономерности в частоте появления тех или иных слу­чайных событий или значений случайных величин. При повторении опытов в одинаковых условиях одни значения появляются чаще, а другие реже. Отношение частоты m_t появления данного значения случайной величины к общему числу значений N, зафиксированных в данном опыте, называется частостью или статистической вероятностью данной величины. Например, если из 100 обследованных крановых колес (N = 100) 20 имеют срок службы 2—2,5 года (m_t — 20), то частость этого значения срока службы составляет P_t = m_t/N = 20/100 = 0,2.

Важным свойством частости является ее относительная стабильность при неизменных условиях опытов. Если число обследо­ванных колес, работающих в одинаковых условиях, увеличить в 2 раза (N =200), то число их со сроком службы 2—2,5 года будет скорее всего находиться в пределах 35—45 (но не в пределах 60—80), т. е. частость окажется близкой к 0,2, полученной в первом опыте. Величина, около которой колеблется частость, называется вероят­ностью. По данным А. Ю. Пинеса и Я. Б. Шора вероятность является численной мерой возможности возникновения события.

Из определений частости и вероятности следует, что они лежат в пределах 0—1, а вероятность всех возможных значений случай­ной величины равна единице.

Важной характеристикой случайной величины (например, срока службы) является оценка ее математического ожидания, (средняя арифметическая)

где N — общее число наблюдений (значений случайной величины); t_i — срок службы в 1, 2, ..., N-м наблюдениях.

Практически приемлемую точность оценки математического ожидания случайной величины можно получить при относительно малом числе наблюдений (N = 10­-20). Для ПТМ рекомендуемое их число установлено отраслевым стандартом ОСТ 24.190.05—75.

Более полной характеристикой непрерывной случайной величины могут служить зависимости статистической функции — накопленной частости F(t) и гистограмма плотности f(t) рас­пределения случайной величины. Их можно построить на основании опытных данных следующим образом.

1. Все полученные значения (варианты) случайной величины, образующие простой статистический ряд, располагают в возрастающем порядке; эта операция называется построением упорядоченного статистического ряда случайной' величины — вариационного ряда.

2. Весь диапазон изменения случайной величины при большом числе N наблюдаемых объектов разбивают на интервалы разряды, число которых принимают К = 6­10; ширину разрядов назначают одинаковой, но иногда в целях удобства построения зависимостей ее принимают разной.

3. Определив границы разрядов 0, t₁ t₂, t_s, ..., t_K, вычисляют середину разрядов t_t, их ширины l_t, а затем частоты m_t попадания значений случайной величины в данный разряд, а также накопленные частоты Σm_t.

4. По частотам m_t вычисляют частости P_t попадания случайной величины в каждый из разрядов 0 — t₁, t₁ — t₂, ..., t_k-1 — t_k:

где N — общее число наблюдений.

5. По Σm_t Для интервалов 0 — t₁,0 — t₂, ... 0 — t_k вычисляют накопленные частости

6. По частотам m_t и ширине разрядов l_t вычисляют статистическую плотность

7. По полученным значениям F(t) и f(t) строят кривую статистической функции F(t) и гистограмму статистической плотности f(t) распределения случайной величины. Обработала опытные данные и свела их в табл. 1 И.О.Спицына. На рис. 2, а показана зависимость F (t), а на рис. 2, б — гистограмма f (t) для условий этого примера.

При построении кривой статистической функции распределения F (t) (кривая 1) по оси абсцисс откладывают значения правой границы каждого разряда (0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 3,5 и 5,0), а по оси ординат — соответствующие им значения F (t) (0,021; 0,100; 0,231; 0,547; 0,821; 1,000). Кривая, построенная по полученным точкам, представляет собой полигон накопленных частостей.

При построении гистограммы f(t) (ломаная линия 4) по оси абсцисс откладывают границы разрядов (0—0,5; 0,5—1,0; 1—1,5; 1,5—2,5; 2,5—3,5; 3,5—6), по оси ординат — соответствующее каждому интервалу значение f(t) (0,042; 0,158; 0,262; 0,316; 0,274; 0,118). Соединяя плавной линией середины горизонтальных участков ломаной на гистограмме, можно получить зависимость статистической плотности распределения (кривая 6).

Характеристики рассеяния случайной величины относительно ее математического ожидания вычисляют по формулам:

В рассмотренном примере эти оценки по формулам (1), (5)—(7) (см. табл. 1):

С увеличением числа наблюдений зависимости статистической функции F(t) и статистической плотности f(t) распределения случайной величины приближаются к соответствующим тео­ретическим законам, присущим данной случайной величине (кривые 2 и 5).

Полученную функцию F (t) можно рассматривать как оценку вероятности отказа, а если число N наблюдений достаточно велико (N→∞), как вероятность отказа F(t) за время t, поскольку частость случайного события при неограниченном увеличении числа опытов приближается к его вероятности.