Долговечность определяется. Долговечность конструкции. Понятие ресурса (технический ресурс)

Лекция . ПОКАЗАТЕЛИ НАДЁЖНОСТИ

Важнейшей технической характеристикой качества является надежность. Надежность оценивается вероятностными характеристиками, основанными на статистиче­ской обработке экспериментальных данных.

Основные понятия, термины и их определения, характери­зующие надежность техники и, в частности, изделий машино­строения, даны в ГОСТ 27.002-89.

Надежность - свойство изделия сохранять в установленных пределах времени значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремон­тов, хранения, транспортировки и других действий.

Надежность изделия - это комплексное свойство, которое может вклю­чать: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость и т.п.

Безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять ра­ботоспособность в течение заданного времени или наработки в определенных условиях эксплуатации.

Работоспособное состояние - состояние изделия, при кото­ром оно способно выполнять заданные функции, сохраняя при этом допустимые значения всех основных параметров, установ­ленных нормативно-технической документацией (НТД) и (или) проектно-конструкторской документацией.

Долговечность - свойство изделия сохранять во времени ра­ботоспособность, с необходимыми перерывами для техничес­кого обслуживания и ремонта, до его предельного состояния, оговоренного технической документацией.

Долговечность обусловлена наступлением таких событий, как повреждение или отказ.

Повреждение - событие, заключающееся в нарушении ис­правности изделия.

Отказ - событие, в результате которого происходит полная или частичная утрата работоспособности изделия.

Исправное состояние - состояние, при котором изделие со­ответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) проектно-конструкторской документации.

Неисправное состояние - состояние, при котором изделие не удовлетворяет хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) проектно-конструкторской документации.

Неисправное изделие может быть работоспособным. Напри­мер, снижение плотности электролита в аккумуляторных батаре­ях, повреждение облицовки автомобиля означают неисправное состояние, но такой автомобиль работоспособен. Неработоспо­собное изделие является одновременно и неисправным.

Наработка - продолжительность (измеряемая, например, в часах или циклах) или объем работы изделия (измеряемый, например, в тоннах, километрах, кубометрах и т п. единицах).

Ресурс - суммарная наработка изделия от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Предельное состояние - состояние изделия, при котором его дальнейшая эксплуатация (применение) недопустима по требо­ваниям безопасности или нецелесообразна по экономическим причинам. Предельное состояние наступает в ре­зультате исчерпания ресурса или в аварийной ситуации.

Срок службы - календарная продолжительность эксплуата­ции изделий или ее возобновления после ремонта от начала его применения до наступления предельного состояния

Неработоспособное состояние - состояние изделия, при ко­тором оно не способно нормально выполнять хотя бы одну из заданных функций.

Перевод изделия из неисправного или неработоспособного состояния в исправное или работоспособное происходит в ре­зультате восстановления.

Восстановление - процесс обнаружения и устранения отказа (повреждения) изделия с целью восстановления его работоспо­собности (устранение неисправности).

Основным способом восстановления работоспособности яв­ляется ремонт.

Ремонтопригодность - свойство изделия, заключающееся в его приспособленности к поддержанию и восстановлению ра­ботоспособного состояния путем обнаружения и устранения дефекта и неисправности технической диагностикой, обслужи­ванием и ремонтом.

Сохраняемость - свойство изделий непрерывно сохранять зна­чения установленных показателей его качества в заданных пре­делах в течение длительного хранения и транспортирования

Срок сохраняемости - календарная продолжительность хра­нения и (или) транспортирования изделия в заданных услови­ях, в течение и после которых сохраняются исправность, а так­же значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в пределах, установленных нормативно-тех­нической документацией на данный объект.

Н

Рис. 1. Схема состояний издели

адежность постоянно изменяется в процессе эксплуатации технического изделия и при этом характеризует его состояния. Схема изменения состояний эксплуатируемого изделия приве­дена ниже (рис. 1).

Для количественной характеристики каждого из свойств надеж­ности изделия служат такие единичные показатели, как наработка до отказа и на отказ, наработка между отказами, ресурс, срок служ­бы, срок сохраняемости, время восстановления. Значения этих ве­личин получают по данным испытаний или эксплуатации.

Комплексные показатели надежности, так же как коэффи­циент готовности, коэффициент технического использования и коэффициент оперативной готовности, вычисляются поданным единичных показателей. Номенклатура показателей надежности приведена в табл. 1.

Таблица 1. Примерная номенклатура показателей надежности

Свойство надежности		Наименование показателя		Обозначение
Единичные показатели
Безотказност ь		Вероятность безотказной работы Средняя наработка до отказа Средняя наработка на отказ Средняя наработка между отказами Интенсивность отказов Поток отказов восстанавливаемого изделия Средняя частота отказов Вероятность отказов
Долговечность		Средний ресурс Гамма-процентный ресурс Назначенный ресурс Установленный ресурс Средний срок службы Гамма-процентный срок службы Назначенный срок службы Установленный срок службы
Ремонтопригод­ность		Среднее время восстановления Вероятность восстановления Коэффициент ремонтосложности
Сохраняемость		Средний срок сохраняемости Гамма-процентный срок сохраняемости Назначенный срок хранения Установленный срок сохраняемости
Обобщенные показатели
Совокупность свойств	Коэффициент готовности Коэффициент технического использования Коэффициент оперативной готовности

Показатели, характеризующие безотказность

Вероятность безотказной работы отдельного изделия оцени­вается как:

где Т - время от начала работы до отказа;

t - время, для которого определяется вероятность безотказ­ной работы.

Величина T может быть больше, меньше или равна t . Следо­вательно,

Вероятность безотказной работы - это статистический и от­носительный показатель сохранения работоспособности одно­типных изделий серийного производства, выражающий вероят­ность того, что в пределах заданной наработки отказ изделий не наступает. Для установления значения вероятности безотказной работы серийных изделий используют формулу для среднеста­тистического значения:

где N - число наблюдаемых изделий (или элементов);

N o - число отказавших изделий за время t ;

N р - число работоспособных изделий к концу времени t испытаний или эксплуатации.

Вероятность безотказной работы является одной из наиболее значимых характеристик надежности изделия, так как она охва­тывает все факторы, влияющие на надежность. Для вычисления вероятности безотказной работы используются данные, накап­ливаемые путем наблюдений за работой при эксплуатации или при специальных испытаниях. Чем больше изделий подвергает­ся наблюдениям или испытаниям на надежность, тем точнее определяется вероятность безотказной работы других однотип­ных изделий.

Так как безотказная работа и отказ - взаимно противопо­ложные события, то оценку вероятности отказа (Q (t )) опреде­ляют по формуле:

Расчет среднестатистического времени наработки до отказа (или среднего времени безотказной работы) по результатам на­блюдений определяют по формуле:

где N o - число элементов или изделий, подвергнутых наблюде­ниям или испытаниям;

T i - время безотказной работы i -го элемента (изделия).

Статистическую оценку среднего значения наработки на от­каз вычисляют как отношение суммарной наработки за рас­сматриваемый период испытаний или эксплуатации изделий к суммарному числу отказов этих изделий за тот же период вре­мени:

Статистическую оценку среднего значения наработки между отказами вычисляют как отношение суммарной наработки из­делия между отказами за рассматриваемый период испытаний или эксплуатации к числу отказов этого (их) объекта(ов) за тот же период:

где т - число отказов за время t .

Показатели долговечности

Статистическая оценка среднего ресурса такова:

где Т р i - ресурс i -го объекта;

N - число изделий, поставленных на испытания или в экс­плуатацию.

Гамма-процентный ресурс выражает наработку, в течение которой изделие с заданной вероятностью γ процентов не дос­тигает предельного состояния. Гамма-процентный ресурс явля­ется основным расчетным показателем, например для подшип­ников и других изделий. Существенное достоинство этого показателя в возможности его определения до завершения ис­пытаний всех образцов. В большинстве случаев для различных изделий используют критерий 90%-го ресурса.

Назначенный ресурс - суммарная наработка, при достиже­нии которой применение изделия по назначению должно быть прекращено независимо от его технического состояния.

Под установленным ресурсом понимается технически обосно­ванная или заданная величина ресурса, обеспечиваемая конст­рукцией, технологией и условиями эксплуатации, в пределах которой изделие не должно достигать предельного состояния.

Статистическую оценку среднего срока службы определяют по формуле:

I

где Т сл i - срок службы i -го изделия.

Гамма-процентный срок службы представляет собой календарную продолжительность эксплуатации, в течение которой изделие не достигает предельного состояния с вероятностью  , выраженной в процентах. Для его расчета используют соотно­шение

Назначенный срок службы - суммарная календарная продол­жительность эксплуатации, при достижении которой применение изделия по назначению должно быть прекращено независи­мо от его технического состояния.

Под установленным сроком службы понимают технико-экономически обоснованный срок службы, обеспечиваемый кон­струкцией, технологией и эксплуатацией, в пределах которого изделие не должно достигать предельного состояния.

Основной причиной снижения показателей дол­говечности изделия является износ его деталей.

Показатели ремонтопригодности

Вероятность восстановления - Р в (t в ) представляет собой веро­ятность того, что случайное время восстановления изделия t в будет не более заданного, т.е.

Среднее время восстановления определяют по формуле

где T в k - время восстановления k -го отказа объекта, равное сум­ме времени затраченного на отыскание отказа t о и времени t у на его устранение;

т - число отказов объекта за заданный срок испытаний или эксплуатации.

Коэффициент аварийного простоя К а является показателем, характеризующим вероятность восстановления изделия в любой момент времени,

где t i - время простоя до ремонта i - ro изделия

t в i - время восстановления i -го изделия;

п - число отказов.

Коэффициент ремонтосложности оценивает объем ремонт­ных работ за год в физических единицах ремонтосложности. Коэффициент ремонтосложности есть сумма коэффициентов ремонтосложности механической части машины r m и электри­ческой ее части R Э :

Единица ремонтосложности механической части r м - это ремонтосложность некоторой условной машины, трудоемкость капитального ремонта механической части которой, отвечающе­го по объему и качеству требованиям ТУ на ремонт, равна 50 ч в неизменных организационно-технических условиях среднего ремонтного цеха машиностроительного предприятия

Единица ремонтосложности электрической части r э - это ремонтосложность некоторой условной машины, трудоемкость капитального ремонта электрической части которой, отвечаю­щего по объему и качеству требованиям ТУ на ремонт, равна 12,5 ч в тех же условиях, что и r м. .

Исходными данными для определения ремонтосложности различных моделей оборудования являются технические характеристики, содержащиеся в паспортах, а также эмпирические формулы и коэффициенты, отражающие специфику оценивае­мых машин и оборудовании.

Коэффициент ремонтопригодности детали, узла, изделия К рем.пр. применяется для характеристики изделия при устранении неисправности отдельных узлов и деталей.

Коэффициент ремонтопригодности узла (детали) изделия характеризуется отношением времени непосредственного выпол­нения ремонта (замены) отдельного узла (детали) к общим зат­ратам времени на ремонт изделия, включая выявление дефекта изделия, его разборку, сборку и наладку.

Показатели сохраняемости

Сроком сохраняемости называется календарная продолжитель­ность хранения и (или) транспортирования изделия в заданных условиях, в течение и после которой значения показателей ка­чества остаются в установленных пределах.

Показателем сохраняемости оценивают статистическими ме­тодами по результатам испытаний.

Сред­ний срок сохраняемости определяют по формуле:

г
деТ с - срок сохраняемости i -го изделия.

Гамма-процентный срок сохраняемости - календарная про­должительность хранения и (или) транспортирования изделия, в течение и после которой показатели безотказности, долговеч­ности и ремонтопригодности изделия не выйдут за установлен­ные пределы с вероятностью  , выраженной в процентах.

Назначенный срок хранения есть календарная продолжитель­ность хранения в заданных условиях, по истечении которой при­менение изделия по назначению не допускается независимо от его технического состояния.

Установленным сроком сохраняемости называют технико-экономически обоснованный (или заданный) срок хранения, обес­печиваемый конструкцией и эксплуатацией, в пределах которо­го показатели безотказности, долговечности и ремонтопригод­ности остаются теми же, какими они были у изделия до начала его хранения и (или) транспортирования.

Показатели транспортабельности

Показатели транспортабельности характеризуют способность продукции сохранять свою пригодность (надежность) в процес­се транспортирования, а также приспособленность к перемеще­нию, не сопровождающемуся эксплуатацией или использованием.

В группу показателей транспортабельности входят харак­теристики подготовительных и заключительных операций, свя­занных с транспортированием изделия к месту его назначения. Подготовительными операциями являются, например, упа­ковывание, погрузка изделия на транспортное средство, креп­ление и т.п. Заключительные операции таковы - снятие креп­лений, разгрузка, распаковывание, сборка, установка на рабочее место и т.п.

Показатели транспортабельности изделия выбираются и оце­ниваются применительно к конкретному виду транспорта (ав­томобильному, железнодорожному, водному или воздушному), или даже к конкретному виду транспортных средств.

Основными показателями транспортабельности являются коэффициенты:

К д - коэффициент, характеризующий долю транспортируемых изделий, которые сохраняют в заданных (до­пустимых) пределах свои первоначальные свойства;

K v - ко­эффициент максимально возможного использования емкости, объема или грузоподъемности транспортного средства или тары.

Коэффициент K д , характеризующий долю транспортируемых изделий, сохраняющих в заданных пределах свои первоначаль­ные свойства за время транспортирования, рассчитывают по формуле:

гдеQ в - масса (вес) или количество в штуках или иных едини­цах измерения продукции (изделий), выгруженной из транс­портного средства и сохранившей значения других показа­телей качества в допустимых пределах;

Q n - масса изделий, количество в штуках или иных единицах измерения, погру­женных в транспортное средство для транспортирования.

Коэффициент К д является комплексным показателем, харак­теризующим одновременно транспортабельность и сохраняемость в процессе транспортирования.

Коэффициент K v максимального возможного использования объема транспортного средства или тары для транспортирова­ния изделий определяют по формуле:

где N в - максимальное возможное использование емкости транс­портного средства или тары, выраженное в единицах про­дукции;

V - объем единицы продукции;

и - емкость транс­портного средства или тары;

Y - коэффициент нормативных потерь емкости транспортного средства (например, для устрой­ства проходов).

Кроме вышеприведенных коэффициентов используются э кономические показатели транспортабельности , т.е показатели, характеризующие затраты, обусловленные выполнением операций подготовки к транспортированию, са­мого транспортирования, а также заключительных работ после транспортирования.

Большое разнообразие изделий, а также способов и средств их транспортирования не позволяют дать полный перечень по­казателей транспортабельности. Однако к показателям транспор­табельности относят и такие, как:

Средняя трудоемкость подготовки одного изделия к транспортированию (включая упаковку, погрузку и крепление),

Средняя стоимость подготовительных к транспортированию операций,

Средняя стоимость перевозки одного изделия на расстоя­ние 1 км определенным видом транспорта или определен­ным транспортным средством,

Средняя трудоемкость или стоимость разгрузки и других заключительных операций транспортирования,

Средняя продолжительность погрузки и разгрузки партии продукции конкретного количества из, например, желез­нодорожного вагона определенного типа.

Обобщенные показатели надежности

Коэффициент готовности К г характеризует вероятность того, что изделие окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых при­менение изделия по назначению не предусматривается. Среднее статистическое значе­ние К г определяют по формуле

где t i - суммарная наработка i -го изделия в заданном интервале эксплуатации,

 i - суммарное время восстановления i -го из­делия за этот же период эксплуатации,

N - число наблюда­емых изделий в заданном интервале эксплуатации.

Если на заданном интервале эксплуатации определены сред­нее значение наработки на отказ и среднее время восстановле­ния изделия после отказа, то

где Т о - средняя наработка
изделия на отказ, т е. показатель безотказности,

Т в - среднее время восстановления или вре­мя вынужденных простоев изделия из-за отказов - показа­тель ремонтопригодности

Коэффициент технического использования К ти рассчитывают по формуле:

где Т 0 -
средняя наработка на отказ;

 то - продолжительность технических обслуживании;

 р - продолжительность плановых ремонтов;

 в - продолжительность неплановых восстановлений.

Долговечность - это способность материала в течение заданного времени сохранять работоспособность. Критерий долговечности зависит от условий эксплуатации.

При циклическом нагружении долговечность определяется числом циклов до разрушения УУ Р азр и зависит от принятого предела ограниченной выносливости. Ее можно определить по выражению

N

Пред о 2 о 2

Кст° а) А? а-1

где п" уст - коэффициент концентрации напряжений в зоне усталостной трещины;

^пред _ характеризует величину остаточной макродеформации, накопленной в теле к моменту его разрушения при механических (растяжение, кручение, и т.д.), технологических или промышленных испытаниях заготовки;

Д?" сг _ 1 - величина неупругой деформации за один цикл нагружения напряжением, равным пределу выносливости;

о а - амплитудное напряжение;

о_! - предел выносливости гладкого образца;

о т - предел текучести гладкого образца.

= к м к,

• *ч а -1 У
• (2.3)

Выражение (2.2) выведено с учетом закономерностей линейного суммирования повреждений; действия эффективных концентраторов напряжений, к которым можно отнести дислокационные сплетения при условии, что источник Франка-Рида действует от достаточно высокого напряжения. Для пластичных материалов такая возможность возникает, когда в зоне действия концентратора напряжений от ближайшего скопления дислокаций оказывается он сам. Резкое повышение напряжений в зоне концентратора приводит к тому, что при разгрузке образца дислокации не возвращаются в исходное положение и пластическая деформация сосредотачивается в отдельных небольших объемах, которые деформируются при этом до исчерпания ресурса пластичности, и с них начинается процесс разрушения.

Величину микрообъема можно оценить по выражению

1/Уст _ (2 А)

у разр 5 V

где Е - модуль нормальной упругости.

Тогда длину пластической зоны, в которой накапливается предельная деформация, можно оценить по выражению

При этом критическая плотность дислокаций

где в - вектор Бюргерса;

Ь - размер полосы скольжения.

Относительное изменение плотности в разрушаемом элементе:

Ар ^разрА

V.

где р - плотность материала в исходном состоянии;

100% - относительное изменение плотности в%; Р

АЕ - относительное изменение модуля нормальной упругости до и после разрушения;

К р ст - разрушаемый объем при статическом нагружении.

?’/ 1ред а /

Е

Для большинства деталей машин (более 80%) долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).

Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Цикл напряжения - совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями о тах и о т1п в течение периода Т.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости - выносливостью (ГОСТ 23207-78).

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей.

• 1. Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке, и меньшем пределе текучести или временном сопротивлении.
• 2. Разрушение начинается на поверхности, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды.
• 3. Разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости.
• 4. Разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон - усталости и долома (рис. 2.2).

Долговечность материала в условиях трения определяется износостойкостью - сопротивлением изнашиванию. Износ оценивается по изменению веса или размеров детали, а долговечность - скоростью изнашивания и допустимой величиной износа.

Изнашивание - процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) в его остаточной деформации:

• износ - результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения или остаточной деформации материала;
• линейный износ - износ, определяемый по уменьшению размера образца (тела) по нормали к поверхности трения;
• скорость изнашивания - отношение величины износа к времени, в течение которого он возник;
• интенсивность изнашивания - отношение величины износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы.

Виды изнашивания:

• 1. Абразивное изнашивание в результате режущего или механического действия твердых тел или частиц. Механизм этого вида изнашивания заключается в удалении материала с изнашиваемой поверхности либо в виде очень мелкой стружки, либо целых участков материала, находящихся в «предразрушенном» (сильно наклепанном) состоянии.
• 2. Изнашивание вследствие пластического деформирования. Такому изнашиванию подвержены пластичные сплавы, работающие при значительных нагрузках и повышенных температурах.

Рис. 22.

• 1 - очаг зарождения трещины; 2 - зона усталости;
• 3 - зона долома (схема)

Происходит постепенное перемещение поверхностных слоев в направлении скольжения, приводящее к изменению размеров изделия. В данном случае износ не сопровождается потерей массы.

• 3. Изнашивание при хрупком разрушении. Это изнашивание происходит, когда поверхностный слой одного из трущихся металлов претерпевает большую пластическую деформацию, интенсивно наклепывается, становится хрупким и затем разрушается, обнажая лежащий под ним менее хрупкий материал, после чего явление повторяется, т.е. носит циклический характер.
• 4. Усталостное разрушение, или контактная усталость, представляет собой процесс накопления и развития разрушения поверхностных слоев материала под действием переменных контактных нагрузок, вызывающих образование ямок выкрашивания (питтинга) или трещин. Этот вид разрушения, связанный с локальным разрушением поверхности, проявляется только через некоторое время работы деталей, особенно при трении качения или качения с проскальзыванием, когда контакт деталей является сосредоточенным (шарико-и роликоподшипники, зубья шестерен И Т.Д.).
• 5. Адгезивное изнашивание. Это изнашивание связано с различными видами «схватывания» металла при трении: перенос (диффузионный) металла с одной поверхности на другую; вырывания частиц одной поверхности и налипание или наволакивание их на другую, что обычно ведет к появлению на поверхности рисок и задиров; заедание сопряженных деталей, сопровождаемое резким повреждением поверхностей и повышением сопротивления трения.
• 6. Тепловое изнашивание - это когда чистые (от пленок или адсорбированного вещества) поверхностные слои трущихся металлов разогреваются до высоких температур, что наблюдается при трении скольжения с большими скоростями и значительными удельными давлениями и происходит тепловое изнашивание. При нагреве и охлаждении с большими скоростями структурные изменения в стали распространяются на глубину от 5 до 80 мкм.

В интервале температур, мало снижающих прочность трущихся поверхностей металлов (для стали - до 600 °С), тепловой износ характеризуется контактным схватыванием и разрушением мест схватывания с малыми пластическими деформациями; поверхность трения на этой стадии износа покрыта надрывами, чередующимися через правильные промежутки. В интервале температур (для стали выше 600 °С) тепловой износ характеризуется контактным схватыванием и пластическим разрушением точек схватывания с налипанием и размазываем металла на трущихся поверхностях. В интервале температур плавления разрушение контактирующих поверхностей в процессе износа происходит путем уноса пленок расплавленного металла.

• 7. Окислительное изнашивание. Такое изнашивание возможно, когда кислород воздуха или кислород, находящийся в смазке, вступая во взаимодействие с трущейся поверхностью металла, образуют на ней окисную пленку. Изнашивание в этом случае определяется механическим удалением окисных пленок при трении, их уносом вместе со смазкой и новым образованием свежих пленок.
• 8. Изнашивание в условиях агрессивного действия жидкой среды. Такой средой может быть неудачно выбранная смазка, либо какая-то активная жидкость, присутствие которой обусловлено конкретными

условиями эксплуатации. Частным видом данного вида изнашивания является фреттинг-коррозия, т.е. изнашивание мест сопряжения деталей, находящихся под нагрузкой, при продольных вибрациях). Фреттинг-коррозия возникает под действием промышленной атмосферы или просто влаги.

9. Особые виды изнашивания. Кавитационное изнашивание деталей появляется в потоке жидкости, движущейся с переменной скоростью в закрытом канале, например, в потоке воды, несущей песок.

Эрозионное изнашивание состоит в отделении частиц поверхности тела в результате соприкосновения с ним движущейся жидкой или газовой среды или увлекаемых ею твердых частиц, либо в результате ударов потока твердых частиц.

Износостойкость - свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию.

Износостойкость материала оценивают величиной, обратной скорости V или интенсивности J h изнашивания.

Скорость и интенсивность изнашивания представляют собой отношение износа соответственно к времени или пути трения. Чем меньше значение скорости изнашивания при заданном износе АИ, тем выше ресурс работы / узла трения

t = Ah/v h . (2.9)

Работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности:

• 1) критерии прочности а в, а 0 2 , а_ 1? которые при заданном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры деталей;
• 2) модуль упругости Е, который при заданной геометрии детали определяет величину упругих деформаций, т.е. ее жесткость;
• 3) пластичность 5, ф, ударная вязкость КСТ, КСУ, КС1), вязкость разрушения К 1с, температурный порог хладноломкости / 50 , которые оценивают надежность материала в эксплуатации;
• 4) циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала.

При проектировании металлических конструкций также должны учитываться следующие основные требования.

Условия эксплуатации. Удовлетворение заданным при проектировании условиям эксплуатации является основным требованием для проектировщика. Оно в основном определяет систему, конструктивную форму сооружения и выбор материала для него.

Экономия металла. Требование экономии металла определяется большой его потребностью во всех отраслях промышленности (машиностроение, транспорт и т.д.) и относительно высокой стоимостью. В строительных конструкциях металл следует применять лишь в тех случаях, когда замена его другими видами материалов (в первую очередь, железобетоном) нерациональна.

Транспортабельность. Металлические конструкции изготавливаются на заводах и впоследствии перевозятся на место строительства, поэтому в проекте должна быть предусмотрена возможность перевозки их целиком или по частям (отправочными элементами) с применением соответствующих транспортных средств.

Технологичность. Конструкции должны проектироваться с учетом требований технологии изготовления и монтажа с ориентацией на наиболее современные и производительные технологические приемы, обеспечивающие максимальное снижение трудоемкости.

Скоростной монтаж. Конструкция должна соответствовать возможностям сборки ее в наименьшие сроки с учетом имеющегося монтажного оборудования. Ведущим принципом скоростного монтажа является сборка конструкций в крупные блоки на земле с последующим подъемом их в проектное положение с минимальным количеством монтажных работ наверху.

Долговечность конструкции определяется сроками ее физического и морального износа. Физический износ металлических конструкций связан главным образом с процессами коррозии. Моральный износ связан с изменением условий эксплуатации.

Эстетичность. Конструкции, независимо от их назначения, должны обладать гармоничными формами. Особенно существенно это требование для общественных зданий и сооружений.

Для повышения долговечности ремонтируемых машин, отдельных узлов, соединений, а также деталей путем их восстановления, выбора рационального способа восстановления и материала покрытия, определения расхода запасных частей весьма важно знать и уметь оценивать величины предельных! износов и других показателей долговечности.

Согласно ГОСТ 27.002-83, долговечность - свойство объекта (детали, узла, машины) сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. В свою очередь, работоспособное состояние - состояние объекта, при котором значение всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации; предельное состояние - состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление его исправного или работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. При этом следует иметь в виду, что для неремонтируемых объектов предельного состояния может достигнуть не только неработоспособный объект, но и работоспособный, применение которого оказывается недопустимым согласно требованиям безопасности, безвредности, экономичности, эффективности. Переход такого неремонтируемого объекта в предельное состояние происходит раньше возникновения отказа.

С другой стороны, объект может оказаться в неработоспособном состоянии, не достигнув предельного состояния. Работоспособность такого объекта, а также объекта, находящегося в предельном состоянии, восстанавливается с помощью ремонта, при котором происходит восстановление ресурса объекта в целом.

Основными техническими оценочными показателями долговечности являются ресурс и срок службы. При характеристике показателей следует указывать вид действия после наступления предельного состояния объекта (например, средний ресурс до капитального ремонта; гамма-процентный ресурс до среднего ремонта и т. д.). В случае окончательного снятия с эксплуатации объекта, обусловленного предельным состоянием, показатели долговечности называются: полный средний ресурс (срок службы), полный гамма-процентный ресурс (срок службы), полный назначенный ресурс (срок службы). Полный срок службы включает в себя продолжительности всех видов ремонта объекта. Рассмотрим основные показатели долговечности и их разновидности, конкретизирующие этапы или характер эксплуатации.

Технический ресурс - наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние.

Срок службы - календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние.

Наработка - продолжительность или объем работы объекта.

Наработка объекта может быть:

1) наработка до отказа - от начала эксплуатации объекта до возникновения первого отказа;

2) наработка между отказами - от окончания восстановления работоспособного состояния объекта после отказа до возникновения следующего отказа.

Технический ресурс представляет собой запас возможной наработки объекта. Различают следующие виды технического ресурса: доремонтный ресурс -наработка объекта до первого капитального ремонта; межремонтный ресурс - наработка объекта от предыдущего до последующего ремонта (число межремонтных ресурсов зависит от числа капитальных ремонтов); послеремонтный ресурс -наработка от последнего капитального ремонта объекта до его перехода в предельное состояние; полный ресурс - наработка от начала эксплуатации объекта до его перехода в предельное состояние, соответствующее окончательному прекращению эксплуатации. Виды сроков службы подразделяются так же, как и ресурсы.

Средний ресурс - математическое ожидание ресурса. Показатели «средний ресурс», «средний срок службы», «средняя наработка» определяют по формуле

где - средняя наработка до отказа (средний ресурс, средний срок службы); f(t)-плотность распределения наработки до отказа (ресурса, срока службы); F(t) - функция распределения наработки до отказа (ресурса, срок службы).

Гамма-процентный ресурс - наработка, в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью γ, выраженной в процентах. Гамма-процентный ресурс , гамма-процентный срок службы определяют по следующему уравнению:

где t γ - гамма-процентная наработка до отказа (гамма-процентный ресурс, гамма-процентный срок службы).

При γ = 100% гамма-процентная наработка (ресурс, срок службы) называется установленной безотказной наработкой (установленным ресурсом, установленным сроком службы). При γ=50% гамма-процентная наработка (ресурс, срок службы) называется медианной наработкой (ресурсом, сроком службы).

Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Назначенный ресурс - суммарная наработка объекта, при достижении которой применение по назначению должно быть прекращено.

Назначенный ресурс (срок службы) установлен с целью принудительного заблаговременного прекращения применения объекта по назначению, исходя из требований безопасности или: экономического анализа. При этом в зависимости от технического состояния, назначения, особенностей эксплуатации объект после достижения назначенного ресурса может эксплуатироваться дальше, сдан в капитальный ремонт, списан.

Предельный износ - это износ, соответствующий предельному состоянию изнашивающегося изделия. Основными признаками приближения предельного износа являются увеличение расхода топлива, снижение мощности, снижение прочности деталей, т. е. дальнейшая работа изделия становится технически ненадежной и экономически нецелесообразной. При достижении предельных износов деталей и соединений их полный ресурс (Т п) исчерпывается, и необходимо принимать меры для его восстановления.

Допустимый износ - износ, при котором изделие сохраняет работоспособность, т. е. при достижении этого износа детали или соединения могут работать без их восстановления еще целый межремонтный срок. Допустимый износ меньше предельного, и остаточный ресурс деталей не исчерпан.

Показатели безотказности

? вероятность безотказной работы - вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает;

? средняя наработка до отказа - математическое ожидание наработки объекта до первого отказа;

? средняя наработка на отказ - отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки;

? интенсивность отказов - условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник. Этот показатель относится к невосстанавливаемым изделиям.

Показатели долговечности

Количественные показатели долговечности восстанавливаемых изделий делятся на две группы.

1. Показатели, связанные со сроком службы изделия:

? срок службы - календарная продолжительность эксплуатации от начала эксплуатации объекта или её возобновление после ремонта до перехода в предельное состояние;

? средний срок службы - математическое ожидание срока службы;

? срок службы до первого капитального ремонта агрегата или узла - это продолжительность эксплуатации до ремонта, выполняемого для восстановления исправности и полного или близкого к полному восстановления ресурса изделия с заменой или восстановлением любых его частей, включая базовые;

? срок службы между капитальными ремонтами , зависящий преимущественно от качества ремонта, т.е. от того, в какой степени восстановлен их ресурс;

? суммарный срок службы - это календарная продолжительность работы технической системы от начала эксплуатации до выбраковки с учётом времени работы после ремонта;

? гаммапроцентный срок службы - календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с вероятностью г, выраженной в процентах.

Показатели долговечности, выраженные в календарном времени работы, позволяют непосредственно использовать их в планировании сроков организации ремонтов, поставки запасных частей, сроков замены оборудования. Недостаток этих показателей заключается в том, что они не позволяют учитывать интенсивность использования оборудования.

2. Показатели, связанные с ресурсом изделия:

? ресурс - суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или её возобновление после ремонта до перехода в предельное состояние;

? средний ресурс - математическое ожидание ресурса; для технических систем в качестве критерия долговечности используют технический ресурс;

? назначенный ресурс - суммарная наработка, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его технического состояния;

? гамма-процентный ресурс - суммарная наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью г, выраженной в процентах. Единицы для измерения ресурса выбирают применительно к каждой отрасли и к каждому классу машин, агрегатов и конструкций отдельно.

В качестве меры продолжительности эксплуатации может быть выбран любой неубывающий параметр, характеризующий продолжительность эксплуатации объекта (для самолётов и авиационных двигателей естественной мерой ресурса служит налёт в часах, для автомобилей - пробег в километрах, для прокатных станов - масса прокатанного металла в тоннах).

Не менее важной из числа ЭТХ является долговечность – свойство конструкции объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при заданной системе ТОиР. При этом предельным считается такое состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно.

Признаки предельного состояния устанавливаются нармативно-технической документацией на данный объект эксплуатации.

Долговечность зависит от многочисленных факторов, которые можно подразделить на прочностные, эксплуатационные и организационные.

Прочностные включают конструктивные, производственные, технологические, нагрузочные и температурные факторы. Они происходят из-за концентрации напряжений в элементах конструкции и остаточных напряжений, возникающих при несовершенной технологии и за счет пластических деформаций при сборке узлов или ремонте, и зависят от свойств материалов и их изменения во время эксплуатации. Решающее воздействие на конструкцию ЛА оказывает также и внешняя среда.

Эксплуатационные факторы включают: режимы полета, различающиеся по скорости, высоте, применяемым маневрам, полетной массе ЛА: состояние ВПП; продолжительность руления и буксировки по ВПП; индивидуальные особенности членов экипажа и их профессиональную подготовку; метеорологические и климатические условия полетов, в том числе турбулентность атмосферы, градиенты температуры по высоте, снег, град и др.; квалификацию инженерно-технического персонала (ИТП), определяемую, в частности, знанием конструкции ЛА, полнотой обнаружения неисправностей и повреждений, мест начального развития трещин, своевременностью и эффективностью мер по их локализации и устранению; качеством и полнотой профилактических мероприятий, а также качеством использования применяемых средств контроля технического состояния ЛА и др.

Организационные факторы включают: техническую общеинженерную и специальную подготовку ИТП; выбор соответствующей стратегии и методов; ритмичность в проведении форм ТО по принятой программе и проведение текущих ремонтов; своевременность в обеспечении производства запасными частями при появлении отказов и выполнении текущих ремонтов; применяемые методы и средства механизации и автоматизации процессов подготовки ЛА к полетам; поиск неисправностей, отказов и их устранение; выполнение других работ, связанных с подготовкой ЛА к полетам, в особенности использования автоматизированных средств контроля технического состояния всех функциональных систем ЛА и др.

Долговечность, как и безотказность, оценивается определенной совокупностью показателей. Для количественной оценки долговечности используется понятие ресурса и срока службы. При этом ресурс измеряется в часах наработки, посадках, циклах, а срок службы – календарной продолжительностью эксплуатации объекта.

Применительно к ЛА, двигателям, агрегатам и изделиям приняты следующие виды ресурсов и сроков службы .

Гарантийный ресурс (срок службы) – наработка (календарное время), в течение которой предприятие-изготовитель несет ответственность за техническое состояние объекта при условии выполнения инструкции по эксплуатации. В течение гарантийного ресурса возникающие на объекте отказы и повреждения изготовитель устраняет своими силами за свой счет.

Ресурс (срок службы) до первого ремонта – наработка (календарное время) от начала эксплуатации до поступления объекта в первый ремонт.

В процессе разработки объекта конструкторы стремятся обеспечить максимальное значение ресурса до первого ремонта, так как это связано с эффективностью использования объекта по назначению. При этом стараются также выполнить требования, чтобы ресурсы до ремонта комплектующих изделий и агрегатов были соответственно не меньше ресурса до первого ремонта основного объекта (летательного аппарата, двигателя).

Межремонтный ресурс (срок службы) – наработка (календарное время) между двумя смежными ремонтами объекта. Межремонтные ресурсы устанавливаются на основе обобщения опыта эксплуатации и первого ремонта объекта. Их значения, как правило, меньше значений до первого ремонта объекта. В лучшем случае они могут быть равными.

Средний ресурс (срок службы) – математическое ожидание ресурса (срока службы) объекта эксплуатации. Этот показатель обычно используют при обработке данных испытаний элементов конструкции и узлов до предельного состояния, обусловленного, например, усталостным разрушением, износом и т.д. Его также используют при обработке статистических данных по отказам, возникающим в эксплуатации.

Гамма-процентный ресурс (срок службы) – наработка (календарное время), в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью , выраженной в процентах. При заданном значении мы имеем вполне определенное значение гамма-процентного ресурса Т р, (рис.3.3).

Рис.3.3. Схема определения гамма-процентного ресурса: T p ( =2000ч; T p ( =3000ч.

– суммарная наработка (календарное время), при достижении которой применение объекта по назначению должно быть прекращено.

Назначенные ресурсы по характеру обоснования различаются на расчетные – обоснованные соответствующими расчетами и подтвержденные – обоснованные различными испытаниями. При эксплуатации объекта руководствуются подтвержденными назначенными ресурсами.

Процесс подтверждения ресурса является ступенчатым, поэтапным. Поэтому действующий в тот или иной промежуток времени эксплуатации объекта назначенный ресурс носит название временного назначенного ресурса (срока службы).

Значения показателей долговечности для некоторых типов самолетов, вертолетов, двигателей приведены в табл.3.2 и 3.3

Таблица 3.2

Показатели долговечности ЛА (по состоянию на 1.01.2001г.)

Таблица 3.3

Показатели долговечности двигателей (по состоянию на 1.01.2001г.)

Долговечность конструкции объекта обеспечивается при проектировании и производстве. На этих этапах выполняются большие объемы расчетов и испытаний.

В расчетных методах исходят из предположения, что долговечность ограничивается усталостными свойствами конструкции, следовательно, речь идет о прочностном ресурсе конструкции. Можно выделить два расчетных метода: суммирования повреждений и касания. Остановимся на первом из методов.

Метод суммирования повреждений широко используется при расчете прочностного ресурса ЛА. При использовании этого и других расчетных методов в условиях эксплуатации ЛА выделяют время активного и пассивного нагружения. В расчете используются лишь время активного нагружения. Активное время нагружения включает цикл: взлет – полет – посадка, руление по аэродрому и буксировку. Время стоянки на ВПП относят к пассивному нагружению, и долей, которую оно вносит в активное нагружение, обычно пренебрегают. Таким образом, прочностной ресурс представляет собой суммарное время активного нагружения. Метод суммирования повреждений основывается на гипотезе, в основе которой лежит предположение, что усталостное повреждение является линейной функцией числа циклов нагружения.

За один цикл нагружения принимается типовой полет. Нагрузки типового полета многократно повторяются.

Схема суммирования повреждений представлена на рис.3.4

Рис.3.4. Схема суммирования повреждений:

1 – линейный закон накопления усталостных повреждений; 2- фактическое накопление усталостных повреждений

Вероятность разрушения Q(t) в общем случае составляет

где n i – число действующих циклов нагружения определенной амплитуды;

Ni – число циклов нагружения той же амплитуды, необходимое для разрушения; k- число уровней циклов, различных по амплитуде.

В соответствии с гипотезой о независимости усталостных повреждений и линейном их суммировании разрушение конструкции произойдет тогда, когда сумма повреждений от всех видов нагрузок будет равна единице Q(t)=1. Это есть условие разрушения.

Ломанная линия ОК на рис.3.4 означает задаваемый при расчетах закон накопления повреждений. Фактический процесс накопления усталостных повреждений в конструкции изображен на рисунке линией 0 абс.

Из приведенных зависимостей следует, что вероятность неразрушения Р(t) = 0.5, задаваемая по закону накопления повреждений ОК, может соответствовать истинной вероятности неразрушения по закону 0 абс значительно более высокой, например, порядка 0.9999. Однако, учитывая сложность авиационных конструкций, а также условия их нагружения в процессе эксплуатации, полученная таким образом вероятность неразрушения (0.999) является еще не вполне достаточной для исключения случаев появления трещин в элементах конструкции. Возникает необходимость проведения периодических осмотров конструкции планера с целью выявления появляющихся в эксплуатации повреждений.

Для подтверждения показателей долговечности конструкция ЛА и его компонентов проверяется при проведении испытаний : а)статических и б) испытаний на ресурс.

Задачи статических испытаний:

· проверка методов расчета,

· выявление истинной прочности,

· определение поля напряжений конструкции,

· проверка равномерности распределения напряжений,

· определение запасов прочности.

Испытания на ресурс включают:

· испытания на усталость при высокочастотных нагрузках (от нескольких десятков герц и выше);

· испытания на повторно-статическое нагружение при низкочастотных нагрузках (от нескольких циклов до нескольких десятков циклов в минуту).

Испытания проводятся для выяснения характеристик выносливости испытуемых компонентов при различных уровнях нагружений. С целью получения достоверных данных испытаниям подвергаются несколько компонентов новых и с разной наработкой в эксплуатации (рис.3.5). Программа испытаний воспроизводит спектр нагружения во времени. Нагружение осуществляется с помощью гидродомкратов, управляемых ЭВМ.

По результатам испытаний определяется ресурс Т рес = ,

где n э - коэффициент надежности.

Рис.3.5. Схема определения наработки до разрушения t разр:

х – экспериментальные точки для компонентов ЛА с разной наработкой в эксплуатации t 1 ,t 2 ,t 3 ..t n ;

N 1 ,N 2 ,..N n – число циклов до разрушения.

Трудности экспериментального метода заключаются в том, что испытание целого ЛА или крупногабаритных его компонентов весьма трудоемки и дороги. Это вынуждает ограничиваться малым числом испытуемых объектов. К тому же условия нагружения элементов конструкции ЛА в полете характеризуются большим разнообразием и случайной повторяемостью нагрузок, которые практически невозможно производить в лабораторных условиях. Это на практике приводит к тому, что некоторые элементы и узлы, показавшие вполне удовлетворительную выносливость при испытаниях, оказываются недостаточно выносливыми в реальных условиях работы в полете. На основе экспериментальных методов можно определить прочностной ресурс, выявить слабые места конструкции и характер возможного разрушения, а также оценить скорость развития трещин в элементах.

С появлением аналитических методов расчета времени развития трещины от заметной величины до предельной длины стала возможной реальная оценка периода налета между осмотрами. Также становится возможным при заданном интервале между осмотрами установить максимальную длину трещины при каждом осмотре.