ВВЕДЕНИЕ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Техника от греческого слова techne

ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Техника (от греческого слова techne – искусство, мастерство) – это совокупность средств человеческой деятельности, созданных для осуществления процессов производства и удовлетворения непроизводственных потребностей общества. К технике относят все многообразие создаваемых комплексов и изделий, машин и механизмов, производственных зданий и сооружений, приборов и агрегатов, инструментов и коммуникаций, устройств и приспособлений.

СИСТЕМА Термин «система» (от греческого systema – целое, составленное из частей) имеет широкий диапазон значений. В науке и технике система – множество элементов, понятий, норм с отношениями и связями между ними, образующих некоторую целостность. Под элементом системы понимают часть её, предназначенную для выполнения определённых функций и неделимую на части на данном уровне рассмотрения.

Понятие о технических системах • Технические системы постоянно усложняются как по количеству входящих в них элементов, так и по связям меду ними. Решение задач при этом целесообразно вести с использованием системного подхода. Впервые идея системного подхода и анализа была выдвинута Аристотелем (третий век до нашей эры) учеником Платона и учителем Александра Македонского, предложившим классификацию, построенную на иерархии общего и частичного: вид род класс. • В современном понимании система - это совокупность элементов или подсистем, находящихся во взаимодействии и образующих определенную целостность.

АКТУАЛЬНОСТЬ • В данном курсе рассматривается часть технических систем – транспортные и технологические машины. Основное внимание уделено автомобилям и технологическому автосервисному оборудованию. За весь срок службы затраты на обеспечение их работоспособности в 5 – 8 раз превышают затраты на изготовление. Основой для снижения этих затрат являются закономерности изменения технического состояния машин в процессе эксплуатации. До 25% отказов технических систем вызываются ошибками обслуживающего персонала, а до 90% происшествий на транспорте, в различных энергосистемах являются результатом ошибочных действий людей. • Действия людей, как правило, обоснованы принятыми ими решениями, которые выбираются из нескольких альтернатив на основе собранной и проанализированной информации. Анализ информации производится на основе знания процессов, происходящих при использовании технических систем. Поэтому при подготовке специалистов необходимо изучать закономерности изменения технического состояния машин в процессе эксплуатации и методы обеспечения их работоспособности.

Примеры систем и подсистем: • Системы бывают техническими (например, автомобиль), человеко машинными (автомобиль водитель), производственно экономическими (АТП, фирма), социальными (персонал, различные группы населения) и другие. • Элемент системы это объект, выполняющий определенные функции и не подлежащий дальнейшему расчленению в рамках поставленной перед данной системой задачи. • Например, элементом транспортного предприятия (системы) как перевозчика является автомобиль (подсистема, элемент), который может осуществлять перевозку грузов или пассажиров, что является основной задачей АТП [96]. • Дальнейшее расчленение автомобиля на агрегаты для перевозочного процесса бессмысленно, но важно для обеспечения работоспособности автомобиля, то есть организации, ТО и ремонта. • Для системы технической эксплуатации важно расчленение автомобиля не только на агрегаты, но и на детали, которые и будут являться первичными элементами.

Схема первичного элемента системы

Характеристика систем • • • Функционирование системы в качестве единого целого обеспечивается связями между ее элементами. Связи определяют структуру системы. В технической и производственной системах связи между элементами, как правило, однозначны и формируются при проектировании и создании системы. Например, конструкция агрегата, планировка АТП или СТО. В биологических системах связи возникают естественным путем в процессе зарождения и развития организма. В социальных или экономических системах связи формируются на основе действующих законов и нормативов, плана, складываются стихийно под воздействием рыночного механизма, или сочетания директивных и рыночных воздействий. Связи также периодически меняются. Выделение системы, то есть отнесение к ней определенного перечня элементов, является необходимой и достаточно сложной задачей, особенно для производственных, экономических и социальных систем. Элементы (или подсистемы) относятся к данной системе, если они удовлетворяют следующим основным требованиям: а) имеют общую цель, то есть каждый элемент должен работать и давать свой измеряемый вклад в достижение цели системы. б) они взаимно дополняют друга, то есть без любого элемента система не может эффектно решать стоящих перед ней задач; в) имеют стабильные организационные, ресурсные и иерархические связи в системе;

Признаки больших систем • Иерархичность системы, то есть наличие нескольких уровней в ее структуре. Например: транспортная система автомобильный транспорт автотранспортное предприятие АТП цех участок бригада исполнитель; автомобиль: агрегат узел деталь. • Наличие в системе элементов разного происхождения: технических, экономических, социальных. Например, предприятие: автомобили, станки, здания, сооружения (технические элементы); водители, работники, ИТР (социальные элементы), взаимоотношения с клиентурой, банками, производителями техники (организационные и экономические элементы) и другие. • Значительное количество подсистем (обычно не менее 7… 10).

Основные показатели надежности машин • Работоспособность технических систем является комплексным показателем, характеризующим эффективность их использования. Работоспособность является одним из важных показателей более общего свойства технических систем – их надёжности. • Надежность является одним из основных комплексных показателей качества автомобиля. Качество это совокупность свойств, определяющих степень пригодности машины (автомобиля) к выполнению заданных функций при использовании по назначению. Надежность является сложным свойством, имеющим свои показатели. Надежность – свойство машины (автомобиля) сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения. Надежность характеризуется свойствами: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Безотказность • Безотказность свойства машины (автомобиля) непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Безотказность характеризуется рядом измерителей: вероятность безотказной работы, наработка на отказ, параметр потока отказов и другие. Вероятность безотказной работы вероятность того, что в пределах заданной наработки отказа автомобиля не наступает. Наработка на отказ наработка машины (автомобиля) от окончания восстановления его работоспособности до его следующего отказа. Параметр потока отказов отношение среднего числа отказов за произвольно малую наработку к значению этой наработки (величина, обратная средней наработке на отказ).

Долговечность • Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установившейся системе технического обслуживания и ремонта. Признаки предельного состояния оговариваются в технической документации или ограничиваются экономическими критериями или требованиями безопасности, экологичности. Долговечность характеризуется рядом измерителей: средний ресурс, гамма процентный ресурс, средний срок службы, гамма процентный срок службы. Средний ресурс средняя наработка до возникновения предельного состояния. Гамма процентный ресурс наработка, в течение которой автомобиль не достигает предельного состояния с заданной вероятностью , выраженной в процентах. Средний срок службы средняя календарная продолжительность от начала эксплуатации автомобиля до перехода в предельное состояние. Для ремонтируемых объектов различают доремонтный, межремонтный и полный (до списания) срок службы. Гамма процентный срок службы календарная продолжительность эксплуатации автомобиля, в течение которой он не достигает предельного состояния с заданной вероятностью , выраженной в процентах.

Ремонтопригодность • Ремонтопригодность свойство автомобиля, заключающееся в приспособленности к предупреждению, обнаружению причин возникновения отказов, повреждений, а также поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Ремонтопригодность характеризуется следующими измерителями: среднее время восстановления, средняя трудоемкость восстановления, вероятность восстановления. Среднее время восстановления работоспособного состояния оценивается средним временем от обнаружения до устранения отказа. Аналогично определяется и средняя трудоемкость восстановления работоспособного состояния. Вероятность восстановления работоспособного состояния вероятность того, что время восстановления не превысит заданного.

Сохраняемость • Сохраняемость свойства объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортирования. Измерителями сохраняемости обычно служат: срок сохраняемости и вероятность работоспособного состояния после хранения. Срок сохраняемости календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования автомобиля (агрегата), в течение и после которой сохраняются значения показателей безотказности и ремонтопригодности в установленных пределах. Вероятность работоспособного состояния после хранения это вероятность того, что после заданного срока хранения автомобиль будет в работоспособном состоянии.

Работоспособность • Работоспособное состояние (работоспособность) состояние автомобиля (агрегата, узла), при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно технической и (или) конструкторской документации. Отказ событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния (неработоспособное состояние, неработоспособность). • Неисправное состояние (неисправность) состояние автомобиля, при котором не соответствует хотя бы одному из требований нормативно технической и (или) конструкторской документации как в отношении основных параметров, характеризующих нормальное выполнение заданных функций, так и в отношении дополнительных параметров, характеризующих внешний вид, удобство и др. Этот термин более общий, чем отказ.

Виды отказов • Внезапный отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких заданных параметров автомобиля. Обычно внезапные отказы обусловлены или нарушением правил эксплуатации или конструктивно технологическими недоработками. • Постепенный отказ, характеризующийся постепенным изменением значений одного или нескольких заданных параметров автомобиля. Обычно постепенные отказы обусловлены изнашиванием, усталостными разрушениями, коррозией и другими процессами изменения технического состояния.

Техническое состояние • Техническое состояние совокупность количественных значений параметров, описывающих объект, и качественных признаков автомобилей. Номенклатура этих параметров и признаков, а также пределы допускаемых их изменений устанавливаются документацией на автомобиль. • Предельное состояние – это состояние машины (автомобиля), агрегата, узла, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление его исправного или работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Основные этапы жизненного цикла машин

Схема наложения жизненных циклов машин

Различия в жизненных циклах машин (1) и их сервиса (2)

Цель и задачи курса • • Цель данного курса – формирование у студентов системы научных знаний и общепрофессиональных навыков, необходимых для анализа и оценки работоспособности и надёжности технических систем, как объектов инженерной и управленческой деятельности будущего специалиста: автомобили, технологические машины и оборудование, сервисные, ремонтные и другие предприятия. В соответствии с поставленной целью задачами курса являются: - овладение принципами системного подхода при анализе работы сложных технических систем; усвоение взаимосвязи понятий качество, надёжность, работоспособность; - изучение закономерностей изменения уровня работоспособности машин в процессе эксплуатации; - изучение влияния эксплуатационных факторов на изменение уровня работоспособности машин в процессе эксплуатации; - усвоение стратегий обеспечения работоспособности технических систем и методов определения нормативов автосервиса; - приобретение знаний и навыков организации и проведения инженерного эксперимента, наблюдений, обработки и анализа их результатов.

Структура курса ОРТС

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ СЕРВИСНЫХ ПОТРЕБНОСТЕЙ • Значительная часть отказов (60 75%) обусловлена закономерным изменением технического состояния элементов вследствие процессов изнашивания, усталости, коррозии, пластического деформирования. Поэтому для определения нормативов обеспечения работоспособности машин необходимо обосновать закономерности изнашивания, усталости, коррозии в процессе эксплуатации, под которыми понимаются физически обоснованные математические зависимости (модели), описывающие процесс увеличения износа, макрогеометрических отклонений, глубины (длины) трещины, площади выкрашивания, глубины и площади поражения деталей коррозией.

Элементы механики разрушения деталей • В процессе эксплуатации машин происходит не только изменение геометрических размеров и формы деталей в результате изнашивания, изменяются физико химические свойства материала (масла, антифрикционного слоя вкладышей, зубьев шестерен, полуоси, кузова, лакокрасочных покрытий), на поверхности образуются трещины. При отсутствии контроля над состоянием деталей их прочность нарушается и происходит отказ (разрушение), который часто называют внезапным. Однако такие отказы, возможно, прогнозировать во времени, так как известны закономерности и хрупкого и усталостного разрушений. Отрасль науки, изучающая процессы при хрупком и усталостном разрушении называется механикой разрушения. • Предметом механики разрушения является изучение закономерностей возникновения, роста и взаимодействия трещин. Как раздел науки о прочности механика разрушения возникла в начале ХХ века. Это отражено в трудах таких учёных как А. Ф. Иоффе, Г. В. Колосов, К. Инглис, А. А. Гриффитс и других.

Понятие о процессе разрушения деталей • Процессом принято называть совокупность последовательных изменений какого либо свойства объекта, в данном случае прочности детали. Процессы изменения прочностных свойств деталей, как и все процессы в металлах, диэлектриках и полупроводниках в современных условиях описывают с помощью зонной теории, которая составляет основной раздел квантовой механики твердых тел. • Основой разрушительного процесса является физическая или химическая кинетика, знание образования и развития которой позволит построить модель процесса и находить пути управления им. • Кинетика разрушения деталей механизмов и машин (интенсивность процессов, протекающих при нарушении равновесного состояния) в значительной степени зависит от дефектов кристаллической решетки, диффузии старения и усталости материалов. Остановимся подробнее на этих факторах.

Причины начала разрушения • По современным представлениям причиной начала разрушений являются дефекты кристаллической решетки. Это точечные дефекты вакансии, одномерные (линейные) – дислокации, двухмерные (поверхностные) дефекты по границам зерен, трехмерные дефекты – пустоты, включения и т. д. • Вакансии в реальных кристаллах непрерывно образуются и исчезают под действием тепловых флуктуаций, то есть случайных отклонений от средних значений. • Линейные дефекты кристаллов – дислокации появляются при нарушении правильного чередования атомных плоскостей. Они снижают прочность кристаллов на несколько порядков. Процессы возникновения – развития дислокаций сложны, поэтому пока нет возможности точно предсказывать прочность твердых тел. Можно только охарактеризовать процессы деформации, разрушения и упрочнения твердых тел.

Примеры вакансий: две элементарные ячейки решётки Na. Cl (а); межузельный ион Na (катион) (б); вакантный узел Cl (анионная вакансия) (в)

Образование краевой дислокации в кристалле

Тепловое движение частиц • При тепловом движении частиц возникает диффузия твердых тел, самопроизвольное выравнивание концентрации в системе. Это процесс равновесного распределения концентраций внутри фаз. Количественно процесс диффузии характеризуют коэффициентом диффузии количеством вещества, проходящего в единицу времени через единицу площади при наличии градиента концентрации, равного единице. • В настоящее время установлено, что и при напряжениях, меньше предела упругости происходит пластическая деформация, а разрушение металла – это не критическое событие, а постепенный кинетический термореактивный процесс. При деформировании твердого тела механическая энергия необратимо переходит в теплоту в процессе внутреннего трения, что порождает дефекты, снижающие прочность. Процесс этот необратимый, следовательно, его нельзя устранить.

Старение материала

Изменение прочности материала в процессе старения

Характеристика прочности • За характеристику прочности материала обычно принимают сопротивление разрыву или точнее напряжение σк, при котором наступает разрыв. Практически сопротивление разрыву при одновременном нарушении (разрыве) всех межатомных связей на поверхности разрыва составляет 0, 1 Е (Е – модуль Юнга). Реальная же величина сопротивления разрыву на несколько порядков ниже из за неравномерного распределения внутренних напряжений и других факторов. • Процесс разрушения в напряженном теле развивается под действием тепловых флуктуаций. Это завершающий этап постепенного развития и накопления субмикроскопических разрушений. Для описания процесса разрушения используется теория хрупкой прочности, которая причиной разрушения принимает микротрещину, возникающую при гармоническом типе нагружения.

Диаграмма растяжения образца

Механические характеристики • • Пределу текучести σТ, пределу прочности σв и сопротивлению разрыва σк соответствуют деформации, ев, и ек (ев предельная деформация до образования шейки, ек местная наибольшая деформация в шейке при разрыве). Для материалов, которым не свойственно образование шейки (например, бронза) ев = ек. Продолжение прямолинейного участка диаграммы до пересечения с ординатой дает значение напряжения, близкое к σТ , а тангенс угла наклона линейного участка составляет Gт = tan α = (σк-σт) / ек. (2. 5) Величина GТ является модулем упрочнения, который для металлов на один два порядка меньше модуля упругости Е, характеризующее сопротивление упругим деформациям (Е= tan β = σт / е т). Характеристикой пластичности ψ является уменьшение поперечного сечения Fк шейки перед разрушением к исходной площади F 0 (рис. 2. 6). Ψ = (F 0 -Fк) / F 0. (2. 6)

Схема этапов нагружения образца при растяжении

Вязкое разрушение становится хрупким при следующих условиях: • 1. По мере приближения напряженного состояния к всестороннему (объемному) нагружению (для получения хрупкого разрушения, связанного с эффектом объемного растяжения, применяют образцы с надрезом). На участках резких переходов, входящих углов, подрезов, вызывающих местную концентрацию напряжений, максимум которых в 2 5 раз превышают средний уровень напряжений, действующих в этом сечении. Степень повышения напряжения зависит от вида и формы ослабления сечения детали. Чем больше перепад сечений на участке перехода и чем резче переходы и острее подрезы, тем выше максимальное напряжение.

Схемы концентраций напряжений

Температурное условие • 2. При понижении температуры, по результатам исследования А. Ф. Иоффе, это объясняется существенным возрастанием при понижении температуры сопротивления пластическим деформациям и приближением предела текучести σТ к сопротивлению разрыву σк, которое с понижением температуры можно считать постоянным. • При критической температуре tкр предел текучести σТ, предел прочности σв по величине равны сопротивлению разрыву σк, шейка не образуется (сужение шейки Ψ приближается к нулю) – хрупкое разрушение возникает в пределах упругих деформаций металла. Критерием такого разрушения является номинальное растягивающее напряжение.

Изменение механических характеристик металла при снижении температуры

Скорость деформирования

Влияние скорости деформирования на остаточную деформацию

С ростом размеров зёрен • 4. При увеличении размера зерен и ослаблении прочности их границ уменьшается σк, следовательно, повышается критическая температура и снижается уровень критических напряжений при хрупком разрушении. Повышение содержания углерода в стали, понижение температуры отпуска, а также легирование (повышенного отношения предела текучести σТ к пределу разрыва σк) увеличивают склонность к хрупкому разрушению. Аналогично и после деформационного старения при длительной работе металла в напряженном состоянии при повышенной температуре, накопления циклического и коррозионного повреждений. Эти факторы понижают пластичность, прочность границ зерен и сопротивление разрыву.

С увеличением размеров детали • 5. С увеличением размеров детали, так как увеличивается структурная неоднородность материала. Влияние структурной неоднородности можно оценить количественно на основе гипотезы «слабого звена» В. Вейбулла. При этом повышается вероятность содержания в объеме металла V «слабых звеньев» (статистическая теория) по отношению к оптимальному V/V 0. Технологическая теория объясняет снижение прочности с ростом размеров затруднительностью получения однородной структуры и равномерной прочности по сечению.

Влияние размера детали на ее прочность U – Прочность «слабого звена»

Коэффициент масштабного фактора в зависимости от размера детали

Классификация и характеристика видов трения и изнашивания • • Триботехника – это упорядоченные знания о практическом применении трибологии – науке о трении и процессах, сопровождающих трение (от греческих слов «трибос» трение и «логос» наука) [143]. Предметом изучения триботехники являются процессы, протекающие в узлах трения машин и механизмов при их работе, методы повышения надежности узлов трения. Появление и становление триботехники как прикладной науки обусловлены следующими причинами [143]: огромные затраты энергии на преодоление трения. Сопротивление трения поглощает во всем мире 30… 40% вырабатываемой энергии; нагрев узлов машин в результате диссипации энергии трения приводит их к интенсивному износу и поломке. Примерно 80… 90% отказов узлов машин происходит из за их износа; большие потери средств в машиностроении вследствие износа деталей. Для промышленно развитых стран они составляют 4… 5% национального дохода; большие затраты материальных средств для уменьшения трения. За год в мире расходуется более 100 млн. тонн смазочных материалов; огромное отвлечение людских и материальных ресурсов на ремонт изношенных деталей (около 30% рабочих и станочного парка, около 20% выплавляемого металла).

Трение

Внутреннее трение в жидкости скорость относительного движения пластин; скорость частиц жидкости; h толщина слоя жидкости; нормаль к поверхности пластины

Внешнее трение • Внешнее трение – процесс диссипации энергии, протекающий при относительном тангенциальном перемещении соприкасающихся твердых тел, осуществляемом в зонах реального контакта этих тел, образовавшихся под действием внешней нагрузки.

Классификация видов трения

Сила трения • Сила трения является количественной оценкой трения и представляет собой равнодействующую сил тангенциальных сопротивлений, возникающих на реальных пятнах контакта при скольжении одного тела по поверхности другого. Сила трения – не потенциальная сила. • При переходе от покоя к скольжению имеется участок предварительного смещения рис. После того, как сила, действующая на тело, превысит силу трения покоя ТА, произойдет срыв и начнется устойчивое скольжение тела, при этом сила трения ТВ < ТА.

Виды внешнего трения по характеру движения

Режимы трения • В зависимости от наличия и количества смазочного материала между поверхностями трения различают сухой, граничный, полужидкостный и жидкостные режимы трения (рис. 2. 19). • Жидкостный режим трения характеризуется тем, что поверхности трения полностью разделены слоем жидкого смазочного материала и реализуется только внутреннее трение жидкости. При этом износ отсутствует. • Полужидкостной режим трения характеризуется тем, что происходит соударение отдельных выступов микронеровностей, коэффициент трения возрастает, все пространство между поверхностями трения заполнено жидкой смазкой. При работе на этом режиме происходит изнашивание поверхностей трения, но его интенсивность незначительна. • Для граничного трения характерно то, что на поверхностях, соприкасающихся своими микровыступами, присутствует смазочный материал в виде граничного слоя квазикристаллической структуры (адсорбированных и ориентированных вертикально молекул смазки), а пространство между граничными слоями заполнено воздухом или газом.

Схемы режимов трения: а – жидкостный; б – полужидкостный; в – граничный; г – сухой (1, 2 – поверхности трения, 3 – смазочный материал, 4 – граничный слой смазки)

Распределение давления внутри масляного слоя

Жидкостная смазка

Кривая Штрибека и режимы смазки (схема)

Топография (а) и профиль по выбранному направлению поверхности образца (б)

Топография поверхности трения образца

Модель фрикционной связи: нормальная нагрузка; h – глубина внедрения; R – радиус

Изнашивание • Изнашивание и износ. Внешнее трение, как правило, сопровождается изнашиванием – процессом разрушения и отделения материала с поверхности детали и (или) изменение ее формы и размеров из за остаточной деформации. • Износ – результат изнашивания и определяется в единицах длины, объема, массы. • Изнашивание – дифференциальная характеристика износа и измеряется интенсивностью или скоростью изнашивания в единицах длины, объема или массы, приходящихся на единицу пути трения или времени процесса соответственно. • В соответствии с Международным стандартом ISO 4378/1, 2, 3 и ГОСТ 23. 002 – 78 различают следующие виды изнашивания [92, 131], приведенные в классификации на рис. 2. 28. • Механическое изнашивание – группа видов изнашивания в результате механических воздействий.

Классификация видов изнашивания

Этапы развития усталостного изнашивания

Усталостное изнашивание беговой дорожки наружного кольца роликового подшипника

Усталостное изнашивание (питтинг) антифрикционного слоя вкладыша дизеля

Кавитационное изнашивание гильзы цилиндра

Вид вкладыша после эксплуатации на различных этапах процесса проворачивания

Задир вала турбокомпрессора из за нарушения смазки

Схема строения поверхностных слоев при окислительном изнашивании: а – первая форма; б – вторая форма

Аналитическое обоснование кривых изнашивания для различных типов сопряжений • Для расчета показателей долговечности узлов трения необходима кривая изнашивания – зависимость износа и интенсивности изнашивания от наработки (пути трения в тыс. км, времени работы в тыс. ч). Во многих работах для различных типов сопряжений приводится так называемая «классическая» кривая изнашивания (кривая Лоренца), которая содержит три периода эксплуатации. • Первый этап – приработка характеризуется высокой интенсивностью изнашивания, обусловленной малой поверхностью трения из за технологических и производственных погрешностей (шероховатость, микрогеометрические отклонения, перекос осей и другие). В процессе приработки увеличивается площадь контакта и снижается интенсивность изнашивания. Для снижения приработочного износа и повышения долговечности узла трения используют специальные приработочные присадки к смазочным материалам и облегченные режимы работы агрегатов. • Второй этап – эксплуатационный, в ходе которого интенсивность изнашивания остается постоянной. Он является самым длительным и достигает 90 95% всего ресурса агрегата.

«Классическая» кривая изнашивания (S – износ; α= интенсивность изнашивания; l – пробег; τ время)

Классификация сопряжений деталей

Динамически нагруженные сопряжения • Для динамически нагруженных сопряжений, в которых кроме действия основных нагрузок, из за наличия зазоров в сопряжениях появляются дополнительные динамические нагрузки, обусловленные ускоренным относительным перемещением деталей в пределах зазора. Приняв по результатам исследований М. М. Хрущова прямо пропорциональную зависимость интенсивности изнашивания от давления р в зоне трения, он получил прямо пропорциональную зависимость от износа S. • Рассмотрим это на типичном примере, динамически нагруженного сопряжения – шатунном подшипнике. В нем действуют три силы: газовая, силы инерции, инерционные силы из за наличия зазора S в сопряжении.

Схема шатунного подшипника (S диаметральный зазор: S= S 0+ S)

Работа удара

После преобразований

Зависимость износа от наработки

Саморазгружающиеся сопряжения • Для саморазгружающихся сопряжений также получены экспоненциальные зависимости. В саморазгружающихся сопряжениях по мере изнашивания снижается давление в зоне трения. Рассмотрим это на примере сопряжения поршневое кольцо – гильза цилиндра. В этом сопряжении давление кольца на гильзу пропорционально зазору в стыке. В конце приработки зазор в стыке кольца составит Sсо. По мере изнашивания кольца и гильзы зазор в стыке кольца возрастает и становится Sсо+ΔS. При этом кольцо становится тоньше и характеристика его упругости более пологая. Следовательно сила Рт как и давление в зоне трения р будут снижаться.

Зависимость износа от пробега

Сопряжения с давлением в зоне трения, не зависящим от износа

Зависимость давления в системе смазки от среднего зазора в подшипниках коленчатого вала

Геометрический смысл параметров p 0 и bp

Зависимость давления в системе смазки от наработки двигателей: 1 Кам. АЗ 740; 2 ЯМЗ 236 (без штриха номинальный режим, со штрихом холостого хода)

Толщина масляного слоя

Изменение геометрической формы деталей машин в процессе эксплуатации

Схема деформации и расположения зон натиров и прижогов шатунных вкладышей

Область натиров на вкладыше

Обратная сторона вкладыша

Условие нестабильности вкладыша

Усилия, действующие на вкладыш

Схема для расчета посадки вкладыша в шатун

Эпюры напряжений во вкладыше от перепадов температур (а, б) и суммарные монтажные и тепловые (в)

Условие начала проворачивания вкладышей

Схема развития проворачивания шатунных вкладышей

Зависимость прогиба от наработки

Зависимость остаточного прогиба вкладышей от наработки l двигателей

Зависимость корсетности нижней головки шатуна от наработки

Схема деформации вкладыша с прогибом ∆, силой F (1 – шейка; 2 –вкладыш; 3 – шатун)

Схема действия боковой силы N на стенки гильзы: а без торцового износа с прямоугольным сечением; б с торцовым износом h; в с торцовым износом с трапецеидальным сечением (K

Овальность гильз в процессе эксплуатации

Типичные гармонические циклы нагружения

Типичная кривая усталости (а) и диаграмма нагружения (б) деталей: I зона малоцикловой усталости; II зона многоцикловой усталости; III зона без усталости

Зависимость удельных затрат с' от амплитуды напряженийσа: си' на изготовление; сэ' на эксплуатацию (ремонт); с∑' суммарные

Этапы развития усталостной трещины

Схема возникновения усталостных трещин

Схема влияния структурной неоднородности материала детали на рост фактической амплитуды напряжений аф с увеличением числа циклов нагружения

Схема поверхности усталостного разрушения при симметричном изгибе

Форма усталостных изломов элементов круглого сечения

Влияние снижения температуры на механические и усталостные характеристики металла

Первое допущение

Второе допущение

Зависимость площади разрушения и фактической амплитуды напряжений от числа циклов

Аналитическое выражение кривой многоцикловой усталости

Повышение фактической амплитуды напряжений аф в процессе эксплуатации при различных, уровнях исходной амплитуды а и схема образования кривой усталости

Зависимость длины усталостной трещины в стальном образце от числа циклов нагружения при амплитуде нагрузки (к. Н): 1 18, 1; 2 22, 7; 3 31, 8; 4 45, 5

Форма усталостного разрушения коленчатого вала по щеке

Зависимость средней длины усталостной трещины на коленчатом вале двигателей Кам. АЗ 740 1 и ЯМЗ 238 2 от наработки

Способы обнаружения трещин на поверхности

Схема капиллярной дефектоскопии (керосиновая проба, краска): а – нанесение индикаторной жидкости; б – удаление излишков жидкости; в – нанесение проявляющей смеси (мела); г – наблюдение .

Внешний вид трещин на шейке коленчатого вала на магнитном дефектоскопе

Схема ультразвуковой дефектации: И – источник ультразвуковых сигналов; П – приёмник.

Схема вихретокового способа дефектации: а – монолитный металл; б – металл с трещиной; Фв – возбуждающее магнитное поле; Фф – наведённое электромагнитное поле; Iф – вихревые токи; δ – глубина проникновения.

Классификация видов коррозии

Зависимость скорости атмосферной коррозии от толщины слоя влаги на поверхности металла: 1 – 10 100 А; 2 – 100 А 1 мкм; 3 1 мкм 1 мм; 4 более 1 мм

Коррозия железа в воздухе

Зависимость массы коррозии от времени для стали 3: 1 –в промышленном и 2 – в сельском районе

Влияние температуры электролита на число питтингов на стали

Зависимость скорости коррозии от температуры

Защитные свойства плёнки окислов

Основные виды нарушения сплошности пленок в процессе роста: а – пузырь без разрыва; б – пузырь с разрывом; в газонепроницаемые микропузыри; г – отслаивание; д – растрескивание при сдвиге; е – растрескивание на углах и рёбрах.

Основные этапы развития общей коррозии облицовочных элементов

Дифференциальное уравнение коррозии

Развитие коррозии во времени

зависимость площади коррозии дверей и панелей багажного отсека от срока эксплуатации автобуса

Зависимость площади сквозной коррозии от срока эксплуатации автобуса

Схема расположения основных очагов коррозионных разрушений автобусов: 1 – надколёсные арки; 2 двери; 3 – отсек аккумуляторных батарей; 4 – багажный отсек; 5 пол салона; 6 – облицовка салона

Схема расположения основных очагов коррозионных разрушений легковых автомобилей: 1 – надколёсные ниши; 2 – пороги; 3 – поперечные лонжероны; 4 – обшивка дверей; 5 – пол салона; 6 – пол багажника; 7 – теплоизоляция глушителя

Защита деталей от коррозии • Борьбу с коррозией начинают с изготовления проката. Антикоррозионные покрытия на 20% увеличивают его долговечность. Например, автомобильный кузов из оцинкованной стали служит в 3 5 раз больше. Вместо дефицитного цинка можно использовать более доступный и стойкий алюминий. • Защиту деталей из углеродистых сталей от коррозии производят механическими, электрохимическими и химическими методами. На детали наносят металлические, электрохимические, полимерные, лакокрасочные покрытия, проводят химико термическую обработку. При анодных металлических покрытиях цинком, кадмием, хромом, никелем, медью, оловом обеспечивают не только механическую, но и электрохимическую защиту. Металлические покрытия наносят гальваническим способом или напылением, диффузионным методом. • Фосфатирование деталей обеспечивает фосфатную пленку на поверхности, являющуюся хорошим грунтом для нанесения лакокрасочных покрытий. Перед окраской рекомендуется детали дополнительно обработать раствором хромпика (К 2 Cr 2 O 7).

Кривые усталости для образцов из стали 20 Х при испытании: 1 в воздухе, 2 в воде

Коррозионно усталостная трещина

Основные этапы развития коррозионной усталости 1 2 3 4

Развитие коррозионной усталости

Коррозионно усталостные трещины продольного бруса надколесной ниши в сварном соединении

Зависимость общей длины коррозионно усталостной трещины надколесного бруса от срока эксплуатации кузова

Эрозионные разрушения • • Эрозионным разрушением называют процесс изменения размеров деталей (повреждения) при динамическом воздействии на материал механических частиц или электрических разрядов. Механические частицы могут быть твердые, жидкие, газовые. • В зависимости от механических характеристик частиц различают четыре вида эрозии: газовую, кавитационную, абразивную, электрическую. При газовой эрозии материал разрушается под действием механических и тепловых сил газовых молекул, при квитационной – парогазовых пузырьков и капелек жидкости, при абразивной – мелкими частицами повышенной твердости, при электрической – под действием электрического поля и сил.

Тепловые разрушения

Старение материалов • Процессом старения (по определению профессора А. С. Проникова) называется необратимое изменение свойств или состояния материала изделия в результате действия различных факторов. Старение деталей происходит не только при работе машин, но и в процессе их хранения, транспортировки. Старение металлических деталей машин обусловлено релаксацией (ослаблением) напряжений. В результате под действием внутренних напряжений, которые остаются в детали после её изготовления (литьё, штамповка, механическая обработка, пластическая деформация) происходит изменение её геометрической формы. • Изменению геометрической формы вследствие старения особенно подвержены крупные корпусные детали (блок цилиндров, коленчатый вал, картеры коробки передач и ведущих мостов). При совершенной технологии изготовления деталей последствия старения должны быть минимальны и должны компенсироваться допусками на сборку. Для этого используют или естественное старение (выдержка в естественных условиях в течение некоторого времени), или искусственное старение в специальных условиях за короткое время.

Наращивание частиц на поверхности (облитерация) • Кроме изменения поверхностных слоёв в результате изнашивания, усталостных разрушений, эрозии может происходить наращивание на поверхности частиц среды, в которой работает деталь. Этот процесс называют облитерацией. При этом меняются как размеры, так и форма детали. Например, отложение нагара на клапанах ДВС (рис. 2. 146) снижает наполнение цилиндров и мощность двигателя. • Отложения также наблюдаются на деталях системы питания ДВС в виде продуктов окисления топлива, что снижает пропускную способность системы. Отложения на деталях системы жидкостного охлаждения в виде накипи снижают эффективность её работы. Облитерации подвергаются также детали смазочной системы, а также гидроприводов тормозных систем и других механизмов машин (подъёмный механизм самосвала, крана и других). Все эти отложения следует удалять при проведении технического обслуживания и ремонта машин.

Факторы, определяющих эффективность ТЭА

Организационно технические факторы эффективности ТЭА

Влияние факторов на простой автомобилей в ТО и Р

Зависимость вязкости масла от температуры

Схема взаимодействия микровыступов поверхностей трения деталей при снижении средней толщины масляного слоя h: q плотность вероятности высоты микровыступов; N число контактирующих выступов (а - h>ho; б - h= h 0; в - h

Зависимость интенсивности изнашивания от температуры

Аппроксимация зависимости интенсивности изнашивания от температуры

Зависимости интен сивн ости изнашивания от температуры поверхности трения: 1 функциональная, 2 – аппроксимирующая

Зависимость t. П от t. М

Зависимость интенсивности изнашивания от температуры

Зависимость интенсивности разрушений от давления в зоне контакта деталей

Теплообмен в сопряжении

Зависимость интенсивности изнашивания от давления

Характер зависимости α от p

Зависимость скорости изнашивания гильз цилиндров (1) верхних компрессионных колец (2), шатунных шеек (3), верхних шатунных вкладышей (4) от нагрузки на двигатель ЯМЗ 240 Б

Зависимость интенсивности изнашивания от скорости относительного перемещения поверхностей трения

Зависимость температуры от скорости

Характер зависимости α от V

Зависимость интенсивности изнашивания от частоты вращения вала установки при нагрузке: 1 40 Н; 2 80 Н; 3 160 Н; 4 320 Н

Схема взаимодействия микронеровностей поверхности трения при постоянном и переменном режимах

Влияние амплитуды и частоты изменения нагрузки на интенсивность изнашивания

Зависимость скорости изнашивания деталей двигателя от частоты изменения нагрузочного режима

Зависимость интенсивности изнашивания от амплитуды нагрузки

Случайные изменения скоростного режима n и ускорения dn/d во времени

Влияние вариации теплового режима агрегатов на среднюю интенсивность изнашивания при различных средних температурах

Зависимость интенсивности изнашивания от вариации теплового режима

Аппроксимация зависимости α от σ