Надежность металлургического оборудования Лекция 6 Раздел 2. Основы надежности элементов конструкций машин 2. 1. Общие сведения 2. 2. Эксплуатационное нагружение элементов конструкций
2. 1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ Схема формирования работоспособности элемента машины Н 1, Н 2, H 3, …Нj — параметры эксплуатационного нагружения; R 1, R 2, R 3, …, Ri характеристики сопротивляемости материала элемента конструкции; x 1(t), x 2(t), …, xi(t) — функции долговечности элемента конструкции машин
Суперпозиция напряжений эксплуатационно го нагружения элемента конструкции и сопротивляе мости материала его — математическое ожи дание (среднее значение) соот ветственно эксплуатационного нагружения и сопротивляемо сти материала элемента кон струкции; f 0(Н) и fi(Н) — функция плотности распределе ния эксплуатационного нагру жения соответственно в на чальный и в й периоды экс плуатации; 0(R) и fi(R) — функции i f плотности распреде ления сопротивляемости мате риала соответственно в началь ный и в i-й периоды эксплуа тации
Повышение средней наработки объекта является непростой технической задачей, для решения которой необходимо установить причину отказов и выработать пути их устранения. Для установления причин отказов необходимо: проанализировать характер нагружения и кинематику узлов, в которых происходят отказы; * проанализировать влияние внешних факторов окружающей среды; * проанализировать соблюдение эксплуатационным и ре монтным персоналом правил технической эксплуатации (ПТЭ) оборудования. * установить вид повреждения; * изучить физику отказов.
Повреждения деталей металлургических машин являются неотъемлемой частью процесса эксплуатации как следствие развития процессов старения и нарушений правил технической эксплуатации оборудования. Повреждения деталей машин по характеру воздействий, приводящих к отказу оборудования, подразделяют на: механические (остаточная деформация, вязкий излом, хрупкий излом, усталостное выкрашивание); термические (терморазупрочнение, термическая усталость); коррозионные (коррозия, коррозионная усталость, коррозионное растрескивание); эрозионные; кавитационные; износовые (изнашивание адгезионное, абразивное, усталостное, окислительное, водородное, коррозионно механическое, фреттинг коррозия)
КЛАССИФИКАЦИЯ ОТКАЗОВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
При установлении причины отказа оборудования важную информацию несет характер повреждения детали. Повышение средней наработки при установленной причине отказа основывается на конструктивных решениях, повышении прочностных характеристик материала, повышения износостойко сти узлов трения, организационных мероприятиях. Мероприятия по снижению величины среднеквадратичного отклонения связаны, в основном, с соблюдением технологического процесса производства деталей и материала для них, с ужесточе нием допусков в процессе их производства, с соблюдением ПТЭ оборудования и технологии ремонта машин. Такими мероприятиями являются повышение квалификации эксплуатационного и ремонтного персонала и ужесточение требо ваний а з соблюдением технологической дисциплины на всех опе рациях процесса изготовления и эксплуатации машин.
Наиболее приемлемыми уровнями вероятности безотказной работы в межремонтный период с учетом экономической целесо образности являются для: машин Р(t) = 0, 8. . . 0, 9; механизмов (узлов) Р(t) = 0, 85. . . 0, 95; деталей Р(t) = 0, 9. . . 0, 99. Для металлургических машин межремонтный период узлов и деталей должен быть кратным межремонтному периоду машины.
2. 2. ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ НАГРУЖЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ Эксплуатационным нагружением называется совокупность внешних факторов, воздействующих на элемент конструкции в составе машины в процессе эксплуатации. Всю совокупность таких внешних факторов можно разбить на группы: • нагружение силовое; • термомеханическое; • воздействие, обусловленное трением сопряженных элементов; • коррозионно эрозионное воздействие; • электромагнитное.
Классификация видов деформаций
Схема потери устойчивости элемента конструкции Ру — нагружающая сила; Ркр — критическая сила, приводящая к потере устой чивости стержня; ркр — кри тическое наружное давле ние, приводящее к потере устойчивости оболочки
Схема термомеханического нагружения элемента конструкции
Схема процесса трения P — сила трения; Pz — нормальная сила; Px — осевая сила; vx линейная осевая скорость движения
Элементы машин, подвергаемые изнашиванию
2. 2. 1. СИЛОВОЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ НАГРУЖЕНИЕ Параметры эксплуатационного нагружения, характеристика сопротивляемости элемента и расчетные формулы для определения напряжений нагружения
Геометрические характеристики некоторых сечений
Эпюры, изгибающие моменты и прогибы балок
Изгибающие моменты в пластине
Напряжения эксплуатационного нагружения при статическом режиме. Статическим режимом нагружения элементов конструкции называются такие условия эксплуатации, когда эксплуатационное нагружение не изменяется во времени. В обобщенной форме математическое ожидание напряжения эксплуатационного нагружения при статической нагрузке где д — коэффициент деформации, зависящий от схемы силового нагружения и формы поперечного сечения детали; — математическое ожидание внешней силы, действующей на элемент конструкции; — математическое ожидание площади поперечного сечения элемента конструкции.
Коэффициент деформации в уравнении напряжений нагружения
Контактное нагружение. Усилие от одного элемента конструкции передается другому обычно по очень небольшой площадке по сравнению с размерами элемента конструкции. Зона элемента конструкции в месте контакта испытывает местное объемное напряженное состояние. Силовое воздействие на элемент конструкции, сосредоточенное на площадке бесконечно малых размеров, называется контактным силовым погружением. Соответственно напряжение эксплуатационного нагружения называется контактным напряжением нагружения элемента конструкции. Уравнение поверхности контакта, ограниченной эллипсом, имеет вид Ах2 + Ву2 = С, где А и В — коэффициенты, зависящие от главных радиусов кривизны, под которыми понимаются радиусы наибольшей и наименьшей кривизны, лежащие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через центр кривизны; С — сближение соприкасающихся тел, обусловленное упругой деформацией по площадке касания.
Максимальные контактные напряжения при эллипсоидной площадке контакта наблюдаются в центре эллипса: где 1 — коэффициент, зависящий от соотношения А/В; Р— усилие контакта; Епр — приведенный модуль упругости: Е 1 и Е 2 — модули продольной упругости сопряженных элементов конструкции.
Формулы для определения коэффициентов А, В и отношения А/В
Концентрация напряжений. Местное увеличение напряжений, вызванное резким изменением профиля элемента конструкции, называется концентрацией напряжений. Концентрация напряжений в пластине с вырезами: d — диаметр сквозного отверстия; а — глубина выреза Отношение максимального напряжения в зоне концентратора к номинальному напряжению называется коэффициентом концентрации напряжений
Коэффициенты концентрации и эффективные коэффициенты концентрации
Если известен коэффициент концентрации, но не установлен эффективный коэффициент концентрации, его значение приближенно вычисляется по формуле где q — коэффициент чувствительности металла к надрезам; для крупнозернистых сталей q = 0, 1… 0, 2, а для обычных сталей q зависит от вида термической обработки и радиуса надреза (рис. )
Зависимость коэффициента чувствительности к надрезу в функции радиуса r надреза: 1 — закаленная и низкоотпущенная сталь; 2 — отожженная и нормализованная сталь; 3 – алюминиевые сплавы
Зависимость коэффициента чувствительности к надрезу от запаса пластичности: 1 — углеродистые и легированные стали после нормализации; 2 — жаропрочные никелевые сплавы; 3 — углеродистые и легированные стали после закалки и отпуска; 4 — литейные жаропрочные сплавы н алюминиевые сплавы
Напряжения эксплуатационного нагружения при динамическом режиме. При динамическом режиме работы элемента конструкции эксплуатационное нагружение изменяется во времени. При динамическом режиме напряжения нагружения определяются уравнением следующего вида:
При динамическом режиме напряжения нагружения являются функцией времени, вид которой зависит от характера изменения площади поперечного сечения и нагружающей силы во времени. Изменение площади поперечного сечения детали во времени определяется тремя видами внешнего воздействия: трением, в результате которого за счет изнашивания уменьшается поперечное сечение элемента конструкции; коррозией металлов, возникающей при взаимодействии элемента конструкции с внешней агрессивной средой, в результате чего иногда без видимого изменения размеров (и даже при увеличении их) в теле элемента конструкции возникает слой окислов металла, сопротивляемость которого внешнему нагружению равна нулю; эрозией поверхностного слоя вследствие воздействия на элемент конструкции абразивного материала.
Различают два вида динамического нагружения: ударное и колебательное (циклическое). Ударное эксплуатационное нагружение элемента конструкции происходит за очень короткий период времени (практически мгновенно). Колебательным (циклическим) режимом динамического нагружения называется такое воздействие на элемент конструкции, когда изменение силовой нагрузки носит периодический (циклический) характер. На рис. приведены основные характеристики колебательного режима динамического нагружения.
Схема колебательного эксплуатационного нагружения в единичном блоке нагружения: Hmах и Нmin — соответственно максимальная и минимальная амплитуды нагрузки в цикле; Hср — средняя амплитуда нагрузки в цикле; Ni — общее число циклов в i м блоке нагружения
Классификация и параметры циклического нагружения
2. 2. 2. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ НАГРУЖЕНИЕ
2. 2. 3. ТРЕНИЕ И ИЗНАШИВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ Схема действия силы трения
Факторы, влияющие на процесс трения
В зависимости от состояния поверхности трущихся элементов и наличия смазки различают следующие виды трения скольжения: чистое (ювенильное) трение на поверхностях, освобожденных от поверхностных пленок (адсорбированных и химических соединений); сухое трение при отсутствии смазки и загрязнении поверхностей трения; граничное трение, возникающее в том случае, если поверхности отделены друг от друга чрезвычайно тонким слоем смазки (менее 0, 1 мкм), не обладающей свойством жидкости; жидкостное трение, когда поверхности полностью разделены слоем жидкой смазки. При соприкосновении шероховатых поверхностей наблюдается смешанное, или полужидкостное трение, когда одновременно на различных участках сопряжения имеется жидкостное и граничное, а иногда и сухое трение.
Физико химическая модель процессов в узле трения (триада трения). Полужидкостное трение с участками граничного трения: 1 — заряженные микрозоны материала; 2 — текстурованный слой; 3 — продукты изнашивания в масле; 4 — активные молекулы в масле (диполи); 5 — звуковые колебания; 6 — упругие колебания в материале; 7 — зона прямого контакта; 8 — термоэлектронная эмиссия; Q 1, Q 2 — потоки теплоты; QМ — поток масла; Тк — температура в зоне контакта; v 1, v 2 — относительные скорости движения
Значения коэффициента трения некоторых пар трения
Зависимость коэффициента трения f некоторых антифрикционных материалов: 1 — латунь ЛМц С 58 2 2 по стали со смазкой маслом; 2 — графитопласт по стали со смазкой; 3 — ЦМ 332 по ЦМ 332 без смазки; 4 — графитопласт по стали без смазки
Схема трения качения а/r = fк коэффициент трения качения; а – плечо трения Плечо трения, мм Дерево по стали 0, 3— 0, 4 Мягкая сталь по мягкой стали 0, 05 Шарик закаленный по закаленной стали 0, 01
2. 2. 4. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАССЕИВАНИЯ НАГРУЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ В ЭКСПЛУАТАЦИИ Номинальной нагрузкой (математическим ожиданием эксплуатационного нагружения) является среднее значение из ряда возможных нагрузок в условиях эксплуатационного нагружения элемента конструкции. Предельное отклонение — это разность между наименьшим или наибольшим нагружением и математическим ожиданием нагружения. Средним квадратичным отклонением называется среднее отклонение нагрузки от ее математического ожидания. Коэффициент вариации среднего квадратичного отклонения представляет собой отношение среднего квадратичного отклонения к математическому ожиданию нагрузки:
В большинстве случаев нагрузка на элемент конструкции представляется как произведение основного вида нагружения на коэффициенты влияния других эксплуатационных факторов:
В большинстве случаев удобно определять среднее квадратичное отклонение эксплуатационного нагружения по его максимальному и минимальному значениям из соотношения Параметр d обосновывается исходя из эксплуатационной нагрузки, которая должна находиться в пределах установленных средних квадратичных отклонений. Р 0, 95 0, 98 0, 995 0, 997 0, 999 d 3, 29 3, 92 4, 66 5, 16 5, 62 6, 0 6, 38
Скачать презентацию Надежность металлургического оборудования Лекция 6 Раздел 2 Основы
нмо-презент-2012-6.pptx