ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА в МАШИНОСТРОЕНИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА И НАДЕЖНОСТИ МАШИН П. Н. Белянин

Повышение качества машин — их надежности и ресурсов, экономич­ности, улучшение всех их потребительских свойств — одна из важнейших задач машиностроения и долговременных целей промышленности.

Качество изделий машиностроения коренным образом зависит от уровня технологии, повышение которого может быть достигнуто благодаря раз­работке и внедрению:

технологических процессов и оборудования, при использовании кото­рых участие человека в производственном процессе ограниченно и сво­дится главным образом к управлению процессами;

комплексной механизации и автоматизации производственных про­цессов, резко сокращающих долю ручного труда; бездоводочной технологии;

групповой обработки на автоматизированных производственных моду­лях, участках и линиях, управляемых ЭВМ;

роботов и манипуляторов, робототехнических комплексов и гибких ав­томатизированных производств;

новых методов и средств неразрушающего контроля (в том числе электрорадиографии, высокочастотной ультразвуковой дефектоскопии, голографической интерферометрии, тепловой дефектоскопии и пр.).

В процессе совершенствования технологии производства важным об­стоятельством является повышение уровня комплексности работ, когда одновременно решаются задачи улучшения технологии, организации про­изводства и технического контроля, что в конечном итоге обеспечивает требуемое качество изделий.

Основные показатели надежности и ресурса машин существенно зави­сят от применяемых методов и средств изготовления заготовок, обра­ботки деталей, сборки машин, испытаний и контроля.

Технология изготовления машин и их деталей должна обеспечивать: при изготовлении заготовок - требуемую внутреннюю структуру и физико-механические свойства, устранение потенциальных источников и очагов разрушения материала;

при обработке поверхности детали - заданные размеры, прочностные, антикоррозионные, антифрикционные или фрикционные свойства, а также нужную степень чистоты и шероховатости ;

при выполнении соединений деталей (неразъемных и разъемных) — заданные прочностные и антикоррозионные свойства, геометрическую точ­ность, герметичность и взаимозаменяемость;

при сборке и испытаниях узлов систем и машин — геометрическую пра­вильность, низкий уровень монтажных напряжений, техническую чистоту систем и нормальное функционирование с заданными по техническим усло­виям характеристиками.

Все перечисленные требования обеспечиваются: на основе использова­ния высокоэнергетических технологических процессов (с применением электронного и лазерного лучей, а также радиочастотного излучения); комбинированных процессов (с наложением силовых, тепловых, электри­ческих, магнитных и ультразвуковых полей или с управлением процессом кристаллизации); вакуума и искусственных сред, эффекта сверхпластич­ности материала; упрочнением и модифицированием поверхностей детали; с помощью конструктивно-технологических методов управления остаточ­ными напряжениями в материале и высокоэффективного контроля радиа­ционным, ультразвуковым, электромагнитным, капиллярным и другим методами; внедрением прогрессивной организации и автоматизации произ­водства, которые гарантируют высокий уровень условий труда и культуры производства.

Благодаря применению совершенных технологических процессов маши­ностроения достигается: при изготовлении заготовок — высокий уровень характеристик материала; при обработке деталей — устойчивость поверх­ностей к повреждениям, а также высокий уровень их специальных свойств (износостойкость, жаропрочность и т. п.); при выполнении соединений дета­лей — надежность объемнопространственной структуры машин; при сбор­ке и испытаниях — стабильность качества и других характеристик машин.

К числу технологических процессов, внедрение которых существенно повышает надежность и ресурс машин, относятся следующие:

автоматизированные технологии всех видов;

нанесение покрытий на рабочие поверхности деталей (детонационное или плазменное, а также ионная имплантация), повышающее работоспо­собность машин в 3-5 раз при снижении расхода материалов в 1,5-3 раза:

ионно-плазменная химико-термическая обработка деталей (ионное азо­тирование, ионно-вакуумная цементация), увеличивающая ресурс деталей в 1,2-1,8 раза;

термообработка в заневоленном состоянии для снятия напряжений и устранения деформаций от сварки;

объемное формование и формообразование листовых деталей в режиме сверхпчастичности, устраняющие ручную доводку и повышающие качество деталей;

лучевая обработка (лазерная сварка, резка и термообработка, электрон­нолучевая сварка и термообработка), уменьшающие зону термического влияния на материал деталей;

пластическое поверхностное упрочнение деталей;

технология выполнения высокоресурсных болтовых и заклепочных соединений;

неразрушающий контроль деталей, узлов и агрегатов машин.

Самой высокой эффективностью обладают совмещенные технологичес­кие процессы, когда на одном операционном поле одновременно или последовательно (без снятия детали) выполняется несколько разнородных технологических операций. Примером такого решения является технологи­ческий процесс, осуществляемый на автоматизированной установке с систе­мой числового программного управления (ЧПУ) для механообработки, сборки и сварки крупногабаритных узлов и агрегатов с одного установа на одном рабочем месте. При этом производится также автоматизирован­ная зачистка кромок под сварку, правку сварных швов и их рентгенокои - 70

троль. На базе таких установок можно создать автоматизированный пере­налаживаемый участок сборки-сварки различных узлов.

Примером комплексного решения задач в области сборки является также использование технологических процессов и оборудования, обеспе­чивающих применение полимерных компенсирующих заполнителей в процессе сборки.

Усложнение конструкций выпускаемых машин приводит к увеличению числа контролируемых параметров, что связано с повышением объема контрольно-испытательных работ. Специалисты прогнозируют увеличение к 1990 г. количества контрольных операций (по сравнению с 1985 г.) на 20—30%. Анализ показывает, что объем и трудоемкость контроля воз­растает, во-первых, потому, что уровень технологии в ряде случаев не обеспечивает изготовления бездефектных деталей и узлов и, во-вторых, контрольные операции зачастую имеют низкий уровень механизации и автоматизации и, как следствие, невысокую производительность.

Главной задачей в обеспечении высокого качества изделий является повышение уровня технологии, стабильности технологических процессов изготовления деталей, узлов и машин в целом. Это в конечном итоге должно сократить объем повторного контроля после исправления дефектов и создать условия для перехода от стопроцентного к выборочному контролю.

В области литья повышение качества заготовок и сокращение трудоем­кости их контроля может быть обеспечено: разработкой и внедрением прогрессивных технологических процессов, основанных на преимущест­венном применении металлических форм и холоднотвердеющих смесей; повышением температуры расплава и принудительного (в том та еле электромагнитного) заполнения форм расплавом; широким применением вакуумной техники, электрошлаковой технологии, направленного затвер­девания расплава.

Это позволит сократить количество брака и уменьшить объем повтор­ного радиографического контроля на 40—50% при уменьшении количества дефектов в 4—5 раз. Например, внедрение активного контроля и автомати­зированных систем управления технологическим процессом (АСУТП) литья в установках направленного затвердевания отливки снижает коли­чество дефектов с 15—20 до 3-5%.

Эффективной является комбинированная технология изготовления отливок из нелинейных титановых и некоторых других сплавов с примене­нием горячего изостатического прессования (ТИП). При этом вначале по упрощенной технологии с введением в расплав газификатора (например, гидрата титана) изготовляют фасонные отливки с заведомо повышенной пористостью, а затем применяют ГИП для залечивания дефектов (пор) деформированием заготовки в условиях всестороннего обжатия под высоким давлением. В результате образуется композиционный материал, состоящий из литой матрицы и деформированного металла в зонах запол­нения дефектов.

Новая технология повышает механические свойства и надежность литых, например титановых деталей, при этом на 20—30%< сокращается расход металла, на 20—25% снижается трудоемкость, а также появляется возмож­ность расширить номенклатуру литых деталей, что особенно важно. Исполь­зование ГИП эффективно для отливок и деформируемых полуфабрикатов из титановых и никелевых сплавов.

Ориентировочные параметры ГИПа для титановых сплавов: температура 950°С, давление 150 МПа, время обработки 1 —8 ч.

Как ГИП отливок из титановых сплавов (типа BT5J1) повышает их механические свойства видно из приведенных ниже данных.

Механические свойства титановых сплавов До ГИП После ГИП

TOC o "1-5" h z Предел прочности, МПа 784 882

Относительное удлинение, % 4,5 12,0

Поперечное сужение, % 9 22

Ударная вязкость, Дж/см2 54 59

Предел усталости, (2 X 106 циклов), МПа 215 353

В отливках из жаропрочных никелевых сплавов ГИП повышает предел прочности на 10—20%, характеристики пластичности — в 2—3 раза, среднее время до разрушения при испытании на длительную прочность — более чем в 1,5 раза, предел малоцикловой усталости — более чем в 2—3 раза и долговечность при термоусталостных испытаниях — в 2—3 раза.

Существенное повышение служебных (эксплуатационных) свойств де­талей машин достигается формообразованием их в режиме сверхпластич­ности.

Явление сверхпластичности, открытое в 1945 г. А. А. Бочваром, заклю­чается в способности многих сталей и сплавов деформироваться с боль­шими степенями деформации 5 > 200 з-10000% при малом сопротивле­нии деформированию а< 1 - н 10 МПа. Сверхпластичность проявляется при высоких температурах (0,4 з - 0,7) Тпл в сплавах с мелкозернистой струк­турой (а < 10 мкм).

Использование сверхпластичности позволяет за один переход изготов­лять сложные по конфигурации детали из трудно деформируемых высоко­прочных сплавов. На деформирование в условиях сверхпластичности за­трачиваются небольшие усилия, и достигается высокая точность формо­вания, позволяющая устранить ручной труд по доводке размеров и формы листовых деталей либо резко уменьшить трудоемкость механиче­ской обработки объемных деталей.

Формообразование штампуемых нагретых заготовок в режиме сверх­пластичности ведется в нагретом штампе при определенной скорости дефор­мирования. Температуры штампа Гшт и заготовки Тзаг равны и выдержи­ваются для разных сплавов с точностью АТяеф от ±5-10° до ±30-40°С при температуре сверхпластического состояния Таеф (разной для разных сплавов) в течение всего времени формования.

Типичная схема формообразования объемных деталей в режиме сверх­пластичности показана на рис. 1. Для штамповки используются специализи­рованные гидравлические прессы усилием 250, 630, 1600 и 4000 т (в зави­симости от размеров и материала заготовки), специальные нагревательные установки — высокотемпературные (для штамповки заготовок из титано­вых сплавов и нержавеющих сталей при температуре 850—950°С с габарит­ными размерами штампов до 800 мм) и низкотемпературные (для штам­повки заготовок из алюминиевых и магниевых сплавов при температуре до 450°С с габаритными размерами штампов до 900 мм и более), а также

Рис. 1. Схема объемной штамповки в режиме сверхпластичности (в изотерми­ческих условиях)

I — стол пресса, 2 — теплоизоляция наг­ревательного устройства, 3 — рабочее окно этого устройства, 4 — штамп (пуансон и матрица из теплостойкого материала), 5 — подвижная часть пресса, 6 — заготовка, 7 — электрический нагреватель

Рис. 2. Схема газовакуумной штамповки листовых деталей в режиме сверхпластич­ности

й — до начала формообразования, 6 — в конце процесса; 1 — контейнер с защитной атмосферой; 2 — штамп в виде листовой матрицы на две детали; 3, 4 - герметично сваренные заготовки на две разные детали (технологический пакет)

Рис. 3. Схема газокомпрессионной штамповки листовых деталей в режиме сверх­пластичности

1 — теплоизоляция нагревательного устройства, 2 —стол установки, 3 — нагреватель­ная плита, 4 — подвижная часть установки, 5 — листовая заготовка, 6 — теплозащитные

кожухи, 7—матрица штампа

эффективные защитно-смазочные покрытия. Штампы в зависимости от температуры деформирования Таеф могут изготовляться из различных материалов — от Ст. 3 или Ст. 20 до жаропрочных сплавов и керамики.

Особенно эффективны беспрессовые методы штамповки листовых заготовок в режиме сверхпластичности. Чаще других применяют два таких метода — газовакуумную и газокомпрессионную штамповку листовых деталей.

При газовакуумной штамповке (рис. 2) формообразование детали осуществляется давлением газа (аргона) до 0,1 МПа, создаваемым вакуу-
мированием полости между заготовкой 3,4 и оснасткой 2, помещенными в контейнер I.

Для этого вида штамповки применяется универсальное термическое оборудование и автоклавы; оснастка (штампы) изготовляется из листо­вого материала.

Газокомпрессионная штамповка (рис. 3) производится на прессовых установках избыточным давлением газа (аргона) до 0,6 МПа, создаваемым в рабочей камере (над заготовкой 5), которая замыкается усилием Р.

Для этого процесса используются пресс-печи и упрощенная оснастка из алюминиевых сплавов, конструкционных и нержавеющих сталей. Про­цессы беспрессовой штамповки листовых деталей легко совмещаются с диффузионной сваркой.

Проведенные исследования показали, что относительная толщина листа типовых элементов детали (S/S0, где S — фактическая толщина листа в данном месте детали после штамповки, a S0 — исходная толщина листа в заготовке до штамповки) зависит от схемы процесса (рис. 4), расстоя­ния между элементами рельефа (рис. 5) и коэффициента трения д между заготовкой и оснасткой — деталями штампа (рис. 6).

Графики, приведенные на рис. 5 и 6, показывают величину S/S0 в зоне максимальной деформации заготовки, т. е. в зоне наибольшего ее утонения при штамповке на вытяжку рифта.

Установлено, что при чистоте поверхности оснастки R2 = 2,5 мкм условный коэффициент трения для титановых сплавов можно принимать равным 0,15—0,2 при штамповке со смазкой и 0,40—0,45 — без смазки; для алюминиевых и магниевых сплавов д = 0,20 ^ 0,25 при штамповке со смазкой и 0,45-0,5 - без смазки. В качестве смазки рекомендуется использовать нитрид бора.

Следует отметить, что чем больше величина показателя скоростного упрочнения штампуемого листового материала т (рис. 6), тем большие скорости деформации возникают в зонах сечения детали с одинаковыми напряжениями, т. е. тем больше металла заготовки может перетечь в зону активной деформации (утонение листа будет меньше). В большинстве случаев утонение при штамповке на обжим меньше, чем при штамповке на вытяжку, однако с уменьшением расстояния между рифтами эта разни­ца уменьшается (рис. 4). При штамповке на вытяжку рифтов полукругло­го сечения максимальные деформации развиваются в зоне радиуса R, а при штамповке на обжим — в зоне радиуса г.

Практика показывает, что внедрение штамповки деталей в режиме сверх­пластичности обеспечивает существенное повышение качества, надежности и ресурса деталей и узлов машин за счет повышения стабильности свойств и улучшения эксплуатационных характеристик обрабатываемого материа­ла, а также позволяет расширить технологические возможности обработки металлов давлением.

При этом реализуются следующие преимущества перед другими техно­логиями штамповки:

1) уменьшение материалоемкости изделий при снижении расхода метал­ла в 2—3 раза в связи с повышением точности заготовок и монолитности деталей, а также получение заготовок с необрабатываемыми поверхно­стями;

Рис. 5. Зависимость относительной толщины листовой детали (S/S0) в радиусной зоне R рифта полукруглого сечения от глубины рифта h при расстояниях между риф­тами

1 - Ъ = 50, 2 - Ь = 40, 3 - Ь = 30, 4 — Ь = 25 мм (когда г - 6 мм, а = 20 мм; услов­ный коэффициент трения между листовой заготовкой и оснасткой д = 0,15; давление

газовой среды при формировании Р = 0,6 МПа; R - [(а2 +h2)/2h - г, h = h/a (обоз­начения те же, что на рис. 4)

Рис. 6. Зависимость относительной толщины материала (S/S„) в радиусной зоне R рифта полукруглого сечения от его глубины при различных значениях условного

коэффициента трения д 1 - д = 0,15 ; 2 - д = 0,30; 3 — Д = 0,40; 4 - при полной блокировке деформации тре­нием, когда показатель скоростного упрочнения, отражающий свойства штампуемого материала, т - 0,5 0,6 (при г = 6 мм, а = 20 мм, Ъ - 40 мм)

лучшая защита нагретого металла от воздействия внешней среды (атмо­сферы), минимальные сварочные деформации, возможность сварки за один проход деталей сложного сечения, высокая производительность (до 10 пог. м/ч) при сварке заготовок толщиной до 120 мм.

В целях дальнейшего повышения качества и эффективности ЭЛС при­меняются; новые способы улучшения качества металла шва посредством регулирования условий массопереноса в сварочной ванне под действием электронного луча; оптимизированные режимы сварки большого числа материалов с различными свойствами; технология и производство круп­ногабаритных сварных конструкций с ресурсом соединений на уровне основного материала; малогабаритные электронные пушки для сварки

в любых пространственных положениях и энергетические блоки мощностью 15-60кВт; электронно-лучевые установки широкой гам­мы, в том числе уникальные с ЧПУ.

Разработка новых способов и создание средств сварки конструкций из новых ма­териалов толщиной до 200 мм и более, внед­рение новых аппаратурно-совместимых про­цессов электронно-лучевой обработки

/

Рис. 7. Упрощенная схема блока для электронно­лучевой сварки 1 — свариваемый узел; 2 — вакуумная камера; 3, 4 — отклоняющая и фокусирующая системы соответственно; 5 — анод; 6 — катод; 7 — свар - ной шов

(термическая очистка, сварка, локальная термообработка, наплавка), создание нового поколения многофункциональных гибких производ­ственных модулей (ГПМ) и систем (ГПС), а также организация участ­ков комплексной лучевой обработки, оснащенных АСУТП, позволят повысить надежность и ресурс сварных узлов в 2—3 раза.

Создание автоматизированных систем контроля и управления основ­ными параметрами процессов сварки и пайки обеспечивает уменьше­ние количества дефектов в 2—6 раз и сокращает (в зависимости от кон­струкций узлов и агрегатов) объем повторного контроля на 20—50%. На­пример, автоматизация процесса аргонно-дуговой сварки тонколистовых конструкций повышает надежность соединений ~в 5 раз и в 3 раза сокра­щает объем работ по исправлению дефектов. При этом объем повторного рентгеновского контроля может быть снижен на 50% и обеспечивается пере­ход от 100%-ного к 10%-ному вторичному контролю.

Важнейшим направлением повышения ресурса и надежности машин является поверхностная обработка их основных деталей — нанесение специальных покрытий, упрочнение и модификация рабочих поверхностей деталей.

Известно, что 80—90% деталей машин повреждается при их контактных взаимодействиях в эксплуатации, 30-40% предпосылок к досрочному съему изделий с эксплуатации объясняется недостаточной прочностью поверхности деталей, ее низкой износостойкостью, 60—70% контактных и износных повреждений деталей вызвано несовершенством применяемых технологий обработки рабочих поверхностей деталей.

В нашей стране около 12 млрд. руб. в год расходуется на восстановление изношенных деталей. Для уменьшения расходов на ремонт машин необхо­димо шире внедрять:

упрочнение поверхности деталей, в том числе крупногабаритных при помощи метода поверхностного пластического деформирования;

модифицирование поверхности деталей машин посредством метода ионной имплантации;

ВЧ-плазменную обработку для повышения на 1—2 класса чистоты по­верхности;

детонационное напыление износостойких покрытий на контактные по­верхности машин;

’’залечивание” поверхностных и подповерхностных дефектов методом термоциклической обработки, что позволяет уменьшить брак деталей в 2 раза.

В настоящее время для повышения усталостной прочности наиболее ответственных деталей все шире применяется пневмодинамическое, дробе­ударное, гидродробеструйное или ударно-барабанное их упрочнение. Раз­работаны и применяются высокопроизводительные дробеметные установки с ЧПУ, которые позволяют упрочнять материал и детали из алюминиевых сплавов стеклянными шариками диаметром 1 мм и меньше, а также уста­новки для упрочнения стальных деталей в высококачественных обрабаты­вающих средах. Производительность процесса упрочнения увеличивается при этом в 2—3 раза, а также на 20—30% сокращается трудоемкость ручных работ при зачистке деталей, поскольку одновременно с упрочнением умень­шается шероховатость поверхности на 1 —2 класса.

а — общий вид, б — схема устройства, 1 — кожух охлаждения, 2 — запальная свеча, 3 — корпус установки, 4 — блок зажигания, 5 — смеситель газов, 6 — золотник, 7 — регулируемая тяга, 8 — кривошипный механизм, 9 — контактор, 10 — кулачок за­жигания, 11 — электропривод, 12 — кулачок дозатора, 13 — привод дозатора, 14 — бункер с порошком (наносимым материалом), 15 — дозатор, 16 — ствол

Повышение ресурса деталей может быть обеспечено и применением по­крытий, нанесенных на поверхность деталей, например детонационным напылением или ламинарной высокоэнтальпийной плазменной струей. Совместно с Институтом гидродинамики СО АН СССР были изучены усло­вия формирования пересжатой детонационной волны в каналах различного сечения и формы, что обеспечило повышение более чем в 2 раза импульса силы и КПД энергоносителя за счет формирования пересжатой волны в стволе установки. Использование установки для детонационного напыле­ния (рис. 8) позволяет увеличить ресурс и надежность деталей в 2—3 раза. Перспективными направлениями улучшения технических характеристик оборудования для детонационного напыления являются: создание системы контроля процесса напыления и управления установкой с помощью ЭВМ; замена ацетилена природным газом, а также применение технологии нанесе­ния размерных покрытий без последующей механической обработки по­верхности. Внедрение установок нового поколения позволит увеличить номенклатуру обрабатываемых деталей в 8—12 раз, добиться окупаемости оборудования не более чем за полгода, а также обеспечить достижение сле­дующих показателей:

Технология плазменного напыления покрытий на детали применяется для нанесения защитных покрытий различного назначения, например на детали двигателей, а также на оснастку и инструмент (прессформы, штам­пы, кокили и т. п.), при этом ресурс деталей увеличивается в 2—4 раза, а стойкость инструмента повышается в 5—7 раз.

Для плазменного напыления покрытий используются универсальные плазменные установки УПУ-3, УПУ-7 второго поколения (оснащена раз­личными плазмотронами - турбулентным, ламинарным, сверхзвуковым, высоковольтным с межэлектродными вставками, при этом используется блок сопряжения с ЭВМ), а также установка нового поколения для автома­тического напыления в вакууме и контролируемой атмосфере (обеспечи­вает повышение прочности сцепления покрытия с основой в 3—7 раз).

Напыление покрытий на детали ламинарной высокоэнтальпийной плаз­менной струей (рис. 9) позволяет сократить расход плазмообразующего газа в 3—5 раз. Кроме того, при этом не требуется применения транспорти­рующего газа, а длина плазменной струи увеличивается в 7—9 раз при снижении угла распыления до 1—3°С. Плотность сцепления покрытия с подложкой повышается в 2—3 раза (см. табл. 1).

Ионно-лучевая обработка (ИЛО) металлических поверхностей использу­ется для упрочняющего модифицирования поверхности детали или инстру­мента в целях создания на них рабочих слоев (в том числе с аморфной структурой), обладающих высокими физико-химическими и механичес-

кими свойствами с обеспечением требуемых качественных показателей на границе раздела (см. рис. 10) в системах покрытие—основа (подложка) . Эффективность ИЛО показана в табл. 2.

К числу преимуществ ИЛО перед другими видами поверхностной обра­ботки относится универсальность этого метода, возможность полной авто­матизации процесса, сохранение размеров и чистоты поверхности обраба­тываемой детали, экономия материалов, а также отсутствие токсичности.

Все более широкое применение в машиностроении приобретает лазерная обработка: резка заготовок, сварка деталей, термообработка и нанесение покрытий. Для этого применяются универсальные лазерные технологи­ческие установки. Блок-схема одной их таких установок приведена на рис. 11.

При лазерной резке производительность повышается в 4—7 раз, КИМ при раскрое возрастает до 0,9, обеспечивается высокое качество кромки реза и резко снижается объем применения дорогостоящего и дефицитного режущего инструмента.

Лазерная сварка дает возможность повысить производительность вслед­ствие увеличения скорости сварки в 3—5 раз по сравнению с аргоно-дуговой
и в 15 раз — по сравнению с электронно-лучевой сваркой, сократить трудо­емкость изготовления узлов и продолжительность цикла изготовления изделий благодаря исключению послесварочной механической и термичес­кой обработки, увеличить ресурс работы сварных узлов.

Обработка поверхности лазерным лучем позволяет повысить надеж­ность и ресурс деталей посредством улучшения качества наносимых тепло­стойких, коррозионно-стойких и износостойких покрытий, обеспечивая в случае необходимости локальную обработку поверхности деталей, лимитирующих срок службы изделия в целом. При этом достигается эконо­мия дорогостоящих легирующих материалов.

Резерв уменьшения массы машин и улучшения их технических харак­теристик — в примерении деталей из полимерных и полимерных компози­ционных материалов (ПКМ), достижении высоких физико-механических
характеристик этих деталей, чему способствует комгшексная автоматиза­ция и широкое внедрение неразрушающего контроля.

Наиболее механизированной операцией технологического процесса производства деталей из ПКМ является изготовление препрегов (уровень механизации при этом составляет 70%). Повышение качества препрегов будет определяться дальнейшим увеличением и улучшением парка техно­логического оборудования. Намоткой препрега можно получить значи­тельную номенклатуру деталей из ПКМ при использовании многокоор­динатных намоточных станков с ЧПУ большей производительности, что существенно повышает уровень механизации, обеспечивая изготовление наиболее сложных изделей.

При изготовлении деталей выкладкой, а также при нанесении теплоза­щитных покрытий из ПКМ в настоящее время все шире применяются промышленные работы, в результате чего повышается качество деталей и производительность технологических процессов.

Для переработки полимерных материалов эффективно использование СВЧ-энергии. На базе исследований в области СВЧ-энергетики разработаны новые технологические процессы сварки термопластов, склеивания сотовых конструкций и отверждения стеклопластиков. Скорость нагрева материалов с помощью СВЧ-энергии в 10—15 раз выше, чем при контактном и конвек­ционном нагреве, при этом обеспечивается оптимальное распределение температуры в нагреваемых деталях, повышается скорость химических реакций, снижается вязкость расплавов.

С помощью СВЧ-энергий выполняется также сварка тугоплавких тер­мопластов, несвариваемых другими способами, а также отверждение теплостойких связующих и клеев. Производительность процессов при од­новременном снижении энергозатрат повысилась в 5 —15 раз, а трудоем­кость уменьшилась в 1,5—2 раза. Прочностные характеристики и ресурс материалов и соединений возросли на 30—50%.

Основными видами клеевых конструкций являются сотовые и слоис­тые. Качество клеевых узлов и агрегатов характеризуется их прочностью, ресурсом и массой. Повышение прочности клеевых соединений обеспечи­вается качеством подготовки поверхностей под склеивание, характерис­тиками клея, уровнем технологии склеивания и точностью сопряжения склеиваемых деталей. При изготовлении сотового металлического запол­нителя подготовка поверхности фольги включает обезжиривание и после­дующее оксидирование поверхности фольги. Повышение адгезионной прочности на расслаивание можно обеспечить совершенствованием тех­нологии в результате применения новых моющих растворов, отработки режимов оксидирования жесткой фольги из АМГ-2Н, использования но­вых методов и средств контроля качества обезжиривания, сплошности и толщины оксидной пленки.

Исследования показали, что толщина клеевой пленки должна состав­лять 3—5 мкм, это достигается нанесением клея при помощи так называе­мого метода глубокой печати. Уменьшение толщины клеевой пленки требует увеличения давления при склеивании до 20-40 кгс/см2 (при склеивании под нагревательными плитами пресса).

Более перспективной является технология склеивания пакета в автокла­ве при давлении 4-10 кгс/см2, так как при этом обеспечивается равно­мерное распределение давления на всей площади пакета, отсасывается воз­дух из под листов, что обеспечивает стабильную повышенную прочность.

При склеивании слоистых конструкций подготовка поверхностей заклю­чается в анодировании и нанесении адгезионного грунта, который наряду со свойствами клеевой композиции, определяет прочность и ресурс соеди­нений. Основным направлением повышения качества подготовки поверхнос­тей является автоматизация нанесения грунта, при которой обеспечивает­ся равномерность покрытия и контроль его толщины в пределах 3—6 мкм. Высокий ресурс слоистых клееных конструкций можно достичь лишь при изготовлении обшивок и дублеров высокой точности с зазором при их сопряжении не более 0,1 мм. Для этого используют литую металлическую оснастку, обрабатываемую на станках с ЧПУ, что обеспечивает высокую степень увязки оснастки для формообразования и склеивания. Неразру­шающий контроль качества клеевых соединений позволяет с помощью импендансно-акустического метода выявлять непроклеи. Создание устано­вок для более полного автоматизированного контроля с определением прочности клеевого соединения является в настоящее время актуальной задачей.

Для склеивания и отверждения узлов из полимерных материалов приме­няются различные автоклавы, СВЧ-установки камерного (с объемом камеры 1 и 4 м3 и / = 2375 МГц) и конвейерного типов (f= 433 МГц), в ко­торых равномерность нагрева обеспечивается импульсным вводом мощ­ности в многомодовый объемный резонатор.

Для сварки деталей из полимерных материалов используются сварочные головки для непрерывной (с непрерывным коаксиальным резонатором) и контурной сварки (с шаговым и контурным полосовым резонатором), при этом в целях повышения равномерности нагрева используется после­довательный ввод мощности в полосковый резонатор.

Надежность и ресурс машин в значительной мере определяются качест­вом болтовых и заклепочных соединений. Несмотря на применение моно­литных, клееных и клеесварочных конструкций, абсолютный объем закле­почных и болтовых соединений продолжает увеличиваться. Например, при сборке современных пассажирских самолетов устанавливается до 2,5 млн. заклепок и 400 тыс. болтов на одном изделии.

Основные требования к высокоресурсным заклепочным соединениям (высокая прочность при статическом и циклическом нагружении, герме­тичность и коррозионная стойкость) удовлетворяются в основном с по­мощью создания гарантированного радиального натяга (равного 2,5—3,5%) в элементах соединения, а также улучшением состояния контактируемых поверхностей (Ла = 1,25 - г 2,5 мкм).

Стабильность прочностных характеристик соединений за весь период эксплуатации достигается за счет того, что выдерживаются с высокой точ­ностью технологические режимы клепки. Оптимальный радиальный натяг в соединении достигается совершенствованием конструкции деталей креп­ления и технологии выполнения соединений. Внедрение прогрессивного процесса автоматической клепки повышенным давлением обеспечивает увеличение ресурса планера пассажирских самолетов до 60 ООО лет. ч.

Проблема повышения прочности, надежности, ресурса заклепочных сое-

ІС

ти

динений решается комплексно, повышением уровня технологии и за счет совершенствования конструкций заклепок (рис. 12). Применение процес­сов клепки универсальными заклепками и стержнями обеспечивает повы­шение ресурса соединений в 2—4 раза.

Техническое перевооружение производства на базе внедрения автомати­ческого сверлильно-клепального оборудования (клепальных автоматов) обусловлено рядом преимуществ автоматической клепки (перед ручной): повышением ресурса, герметичности соединений, а также точностных параметров швов в результате стабильности процесса, снижением трудо­емкости в 1,2—2 раза, улучшением условий труда.

Соединения, выполненные обычными заклепками с помощью прессового и ударного методов, не отвечают требованиям, предъявленным к герметич­ности узлов и агрегатов. Это объясняется наличием зазоров и микроканалов между стенкой отверстия и стержнем заклепки, образующихся при клепке и в процессе эксплуатации. Применение показанных на рис. 12 заклепок специальной конструкции, а также новой технологии клепки с образова­нием потайной замыкающей головки обеспечивает при повышенном давле­нии клепки выполнение соединений с гарантированным натягом по всей толщине склепываемого пакета и позволяет создать плотный контакт
между стенкой отверстия и стержнем заклепки, а тем самым и улучшить качество соединения.

Для повышения технического уровня контроля герметичности изделий (баков, емкостей и т. д.) целесообразно использование пооперационного контроля газовыми методами течеискания, начиная с изготовления под­сборок и заканчивая собранными агрегатами.

В целях обеспечения достоверности и чувствительности контроля приме­няются новые пенообразующие, а также цветоизменяюшиеся индикаторы течей.

В области контроля качества изделий машиностроения наметилась тенденция увеличения объемов и трудоемкости вследствие усложнения конструкций, а также использования в них новых материалов (в том числе композиционных) и внедрения эффективных технологических процессов сварки, пайки, склеивания и др. Трудность обнаружения де­фектов при этом обусловлена малыми размерами дефектов, особенностя­ми их местоположения И Т. Д.

Для повышения эффективности контроля и уменьшения его трудоем­кости разработаны и освоены приборы, дефектоскопы и другие средства неразрушающего контроля с помощью радиационных, акустических, элек­тромагнитных, тепловых, голографических и других методов; созданы механизированные, автоматизированные и роботизированные установки, в том числе для встроенного контроля.

В современных ультразвуковых установках дефектоскопического контроля сварки применяются принципы голографии и томографии для повышения чувствительности и разрешающей способности контроля. Постоянно повышаются надежность и достоверность ультразвукового конт­роля, производительность которого увеличилась в 3—5 раз. Это позволяет на 20—30% сократить применение радиографии с соответствующим умень­шением расхода серебросодержащей рентгеновской пленки.

Применение промышленных роботов существенно расширяет возможнос­ти ультразвукового контроля крупногабаритных (до 10—15 м) сварных и клееных конструкций. В методах и средствах контроля все шире исполь­зуются ЭВМ. Применение вычислительной техники в ультразвуковой дефек­тоскопии позволяет в 1,5—2 раза повысить чувствительность и разрешаю­щую способность контроля сварных соединений. Кроме того, появляется возможность более точной расшифровки дефектов (определения их типа, формы и размеров).

Повышение эффективности технологических методов увеличения ре­сурса и надежности машин оказывает большое влияние на ускорение прог­ресса отечественного машиностроения, причем в будущем это влияние станет решающим.

А. С. Проников

Обеспечение высокого уровня качества и надежности машин — одна из коренных проблем как для отечественной промышленности, так и для промышленности всех передовых в техническом отношении стран.

Недостаточный уровень надежности вызывает большие потери средств и времени, а также требует привлечения дополнительных трудовых ресурсов в силу следующих причин:

простои машин, агрегатов, оборудования в ремонте и техническом об­служивании приводят к прекращению их функционирования, недовыпуску продукции или невыполнению других заданий, нарушают ритм производ­ства;

значительные затраты средств, материалов, запасных частей, людских ресурсов требуются для осуществления ремонта и технического обслужи­вания изделий;

низкая надежность приводит к неэффективности и неконкурентоспо­собное™ изделий на внешнем рынке;

отсутствие эффективных методов оценки и прогнозирования надежнос - та изделий на стадии создания опытных образцов приводит к серийному выпуску ненадежных моделей.

В результате промышленность даже передовых в техническом отношении стран несет огромные потери из-за недостаточной надежности выпускаемых машин. Например, за весь период эксплуатации затраты на ремонт и тех­ническое обслуживание машин в связи с их износом часто в несколько раз превышают стоимость новой машины.

В решении проблемы надежное™ выпускаемых изделий — огромный резерв повышения эффективное™ производства," производительное™ общесгаенного труда.

Наука о надежное™ машин изучает изменение показателей работоспо­собное™ изделий с течением времени, на основании чего создаются методы, обеспечивающие с наименьшей затратой времени и средста необходимую продолжительность и безотказность работы технических устройсга. При этом на основании прогноза поведения системы разрабатывается теория принятая оптамальных решений для обеспечения требуемого уровня на­дежное™.

Специфическими особенностями вопросов надежное™ являются: фак­тор времени, поскольку оценивается изменение начальных параметров в процессе эксплуатации машины; прогнозирование поведения объекта с точки зрения сохранения его выходных параметров.

Поэтому наука о надежное™ не рассматривает вопросы достижения определенного уровня выходных параметров машин (точность, мощ­ность, КПД, производительность), это - задача других наук, а изучает процесс изменения этах показателей с течением времени.

Реализация научных достажений в областа надежное™ связана, как правило, с решением весьма сложных задач, так как, во-первых, здесь

всегда фигурирует фактор времени, во-вторых, анализу подвергаются сложные машины и даже комплексы машин с разнообразными механиз­мами и устройствами и, в-третьих, оценку надежности необходимо иметь на стадии проектирования изделия или в крайнем случае при создании опытного образца.

Наряду с положительной оценкой достижений в области надежности необходим критический анализ пройденных этапов и направлений науч­ных исследований, а также методик и стандартов, которые были разрабо­таны на их базе. Анализируя проделанные работы, можно сказать, что до последнего времени доминирующую роль в исследованиях играли статисти­ческие методы и на их основе было сделано много нужного и полезного.

Однако в настоящее время назрел определенный кризис в применении этих методов, поскольку статистика не может быть использована и не дает ответа при решении ряда коренных вопросов надежности. Например, можно ли использовать статистические методы, если имеется всего один или несколько сложных объектов? Откуда получать информацию об отка­зах, если по условиям эксплуатации изделия они не допускаются или до­пустимая вероятность их возникновения весьма мала? Как оценить пока­затели на первых этапах работы изделия? Все это порождает необходи­мость искать новые пути и методы для решения задач надежности, исполь­зовать достижения не только статистики и теории вероятностей, но и других наук, непосредственно связанных с данной проблемой.

Если до сих пор, как правило, в основе разработок были статистические методы, то для ближайших десятилетий будет характерна более интенсив­ная разработка методов прогнозирования надежности на основе физики отказов и возрастает роль механики и технологии для создания работо­способных машин и приборов. Кроме того, если до последнего времени основное внимание уделялось отказам функционирования, когда изде­лие полностью выходило из строя из-за поломок, заклинивания, замыка­ния и т. п., то в настоящее время основным объектом исследований ста­новятся параметрические отказы. Выход параметров качества за допусти­мые пределы является наиболее характерным видом отказов современ­ных машин.

В настоящее время существенно возрастает роль информации о надеж­ности для управления процессами создания и эксплуатации машин. При этом данная информация должна быть с высокой степенью достоверности получена до начала эксплуатации изделий на основе расчетов, прогнози­рования, моделирования и испытания опытных образцов с учетом всего спектра нагрузок и условий предстоящей эксплуатации машины. Теория надежности машин должна стать одним из основных разделов машино­ведения и механики, составив базу для решения коренных вопросов на­дежности во всех отраслях машиностроения.

Рассмотрим основные научно-технические проблемы, которые возника­ют перед машиностроением в связи с проблемой надежности.

Разработка общего методологического подхода. Формирование пока­зателей надежности происходит по общим законам, подчиняется единой логике событий, и раскрытие этих связей является основой для оценки, расчета и прогнозирования надежности, а также для построения рацио­нальных систем производства, испытания и эксплуатации машин.

Автором разработан общин методологический подход к оценке тех изменений работоспособности изделий, которые происходят в резуль­тате процессов старения и являются следствием воздействия на машину различных видов энергии. Основная идея расчетов заключается в раскры­тии функциональных связей между степенью повреждения материала изделия и выходными параметрами машины и представлении этих зави­симостей как функции случайных аргументов. При этом надо устано­вить, как в сложных сисіемах происходит формирование таких основ­ных показателей надежности, как запас надежности Кн по параметру, ресурс Тр и соответствующая ему вероятность безотказной работы P(t).

В сложных системах процесс изменения начальных параметров харак­теризуется большим числом взаимосвязей, разнообразными воздействия­ми на систему и протеканием неодинаковых по природе процессов ста­рения.

В соответствии с представлениями о дейсівии энергии на машину при ее эксплуатации на рис. 1 показана схема формирования показателей надежности сложной системы. Энергия, действующая на машину при ее эксплуатации W, слагается из воздействия энергии окружающей среды Wx, энергии рабочих процессов машины W2, потенциальной энергии тех­нологических процессов (например, напряжения, накопленные в отлив­ке) W3 и энергии воздействия на машину при ее ремонте и техническом обслуживании W4. Проявляясь в механической, тепловой, химической, электромагнитной и других формах, энергия W определяет условия рабо­ты машины и ее элементов — возникающие нагрузки, напряжения, темпе­ратуры, скорости и ускорения, химические воздействия, электромагнит­ные силы и др.

Эти воздействия являются причиной возникновения в машине процес­сов износа, коррозии, деформации и др., которые приводят к повреждени­ям отдельных элементов: Ux, Uz, ..., Указанные повреждения вызы­вают изменения выходных параметров отдельных элементов, узлов и подсистем, что, в свою очередь, приводит к изменению во времени и выход­ных параметров всей системы Xx(t), ..., Xn(t). Опасность выхода этих параметров за установленные пределы и формирует согласно принятым моделям отказов показатели надежности всей системы.

Для многих машин можно принять такую модель возникновения пара­метрического отказа, когда вначале определяется область состояния выход­ных параметров (область их нахождения в определенных границах с задан­ной вероятностью), а затем рассматривается постепенное изменение этой области в результате медленно действующих процессов, например износа.

При анализе надежности раскрытие сложных взаимосвязей, показанных на рис. 1, упрощается благодаря тому, что: 1) при анализе выбираются лишь те связи, которые играют основную роль в формировании показате­лей надежности; 2) выходные параметры являются часто независимыми;

3) за рассматриваемый промежуток времени проявляются не все процессы;

4) последствия от отказа изделия обычно не равноценны и существуют лими­тирующие параметры; 5) упрощение задачи возможно обычно на основе инженерного анализа изделия и его параметрической надежности.

При рассмотрении основных взаимосвязей между параметрами изделия и показателями надежности необходимо:

1) учитывать физику процессов, приводящих к потере машиной работо­способности;

2) оценивать скорость протекания процессов, которые могут быть быстропротекающими, средней скорости и медленными, а также обратимы­ми и необратимыми;

3) принимать во внимание вероятностную природу всех происходящих явлений;

4) рассматривать последствия отказов, которые могут привести к отка­зам функционирования изделия или к выходу регламентированных пара­метров изделия за допустимые пределы (параметрический отказ) ;

5) в общем виде рассматривать взаимодействие машины со средой как систему автоматического регулирования.

Эти методические положения позволяют осуществить системный подход к проблеме надежности машин, сочетать детерминированные и вероятност­ные методы расчета, учитывать физику отказов, целенаправленно разраба­тывать методы повышения надежности машин [1].

Физика отказов как основа расчета надежности. Закономерности, описы­вающие физические процессы в материалах изделия, которые приводят к изменению начальных характеристик изделия, являются основой для рас­чета и прогнозирования надежности. Как физические законы, так и получен­ные на их основе частные зависимости, описывающие изменение свойств и состояния материалов, можно разделить на две основные группы:

а) закономерности, описывающие взаимосвязи обратимых процессов, когда после прекращения действия внешних факторов материал (и соответ­ственно деталь) возвращается в исходное состояние. Эти зависимости бу­дем называть законами состояния;

6) закономерности, которые описывают необратимые процессы и, сле­довательно, позволяют оценить те изменения начальных свойств материа­лов, которые происходят или могут происходить в процессе эксплуатации изделия. Эти зависимости будем называть законами старения.

Законы состояния можно разделить на статические, когда в функцио­нальную зависимость, описывающую связь между входными и выходными параметрами, фактор времени не входит, и на переходные процессы, где учитывается изменение выходных параметров во времени. Типичными при­мерами статических законов состояния могут служить закон Гука, закон теплового расширения твердых тел и др.

Статические законы, описывающие изменение состояния изделия, хотя и не включают фактор времени, но могут быть использованы для расчетов надежности, если известны изменения характеристик изделия в процессе эксплуатации.

Законы состояния, описывающие переходные процессы, например коле­бания упругих систем, процессы теплопередачи и другие, хотя и включают фактор времени, но также не учитывают изменений, происходящих при эксплуатации изделий. Обычно они относятся к категории быстропротекаю - щих процессов или процессов средней скорости. Лишь при известном из­менении уровня внешних воздействий их можно использовать для решения задач надежности.

Основное значение для оценки потери изделием работоспособности имеет изучение законов старения, которые раскрывают физическую сущ­ность необратимых изменений, происходящих в материалах изделия. Хотя законы старения всегда связаны с фактором времени, в некоторых из них время непосредственно не фигурирует, так как в полученных зависимостях отыскивается связь с другими факторами (например, энергией), которые, в свою очередь, проявляются во времени. Такие зависимости будем назы­вать законами превращения.

Типичным примером законов превращения могут служить зависимости, описывающие процессы коррозии. Вывести закономерности, непосредствен­но отражающие изменение величины коррозии во времени, как правило, трудно в результате поливариантности коррозийных процессов, когда боль­шое число факторов оказывает одновременно и часто противоположное действие на интенсивность повреждения.

Фактор времени здесь фигурирует в неявном виде, и для получения за­кона старения в чистом виде (т. е. в функции /) необходимо дальнейшее раскрытие механизма данного процесса изменения свойств и состояния материалов.

Законы старения, оценивающие степень повреждения материала в фун­кции времени, являются основой для решения задач надежности. Они поз­воляют прогнозировать ход процесса старения, оценивать возможные его реализации и выявлять наиболее существенные факторы, влияющие на ин­тенсивность процесса. Типичным примером таких зависимостей являются законы износа материалов, которые на основе раскрытия физической картины взаимодействия поверхностей дают методы для расчета интенсив­ности процесса изнашивания или величины износа в функции времени и оценивают параметры, влияющие на ход процесса. Анализируя исследова­ния последних лет, следует отметить, что все чаще стремятся получить зако­ны, описывающие ход процесса старения или постепенного разрушения как функцию времени.

Например, выявлены закономерности, оценивающие типичные процес­сы коррозии как функции времени, определяется скорость развития уста­лостных трещин, получены данные для оценки протекания процессов ползу­чести металлических материалов, имеются закономерности, описывающие изменения свойств масел в процессе их эксплуатации и коэффициента трения при работе сопряжения, коробление отливок от остаточных напря­жений, изменение во времени свойств полимеров и др.

Многие временные закономерности физико-химических процессов могут быть получены на основе рассмотрения кинетики термоактивацион­ных процессов. Для ряда машин основной причиной потери ими работо­способности в процессе эксплуатации является износ сопряжений и меха­низмов. Отечественная наука много сделала для раскрытия закономер­ностей процесса изнашивания [4].

В проводимых исследованиях в области изнашивания материалов основ­ное внимание уделяется микрокартине тех явлений, которые происходят на поверхности трения: решаются задачи о характере касания и взаимодей­ствия поверхностей, изучаются процессы разрушения материалов и отделе­ния частиц, исследуются структурные изменения в поверхностных слоях и т. д.

Но, кроме этого, необходимо рассмотреть макрокартину процессов, происходящих на поверхности трения, и установить зависимости, которым подчиняется распределение удельных давлений и линейного износа на по­верхности трения, выяснить изменение взаимного положения сопряжен­ных деталей, которое произошло в результате их изнашивания. Именно эти данные, которые являются следствием микроявлений на поверхности трения, нужны конструкторам и эксплуатационникам машин для решения инженерных задач, так как они связывают износ материалов с износом деталей и служебными свойствами механизмов и машин, а также с кон­струкцией и размерами сопряжений.

При решении задач, связанных с износом деталей, необходимо учиты­вать, что конструктивная схема сопряжения оказывает влияние на распре­деление износа по поверхности трения и на характер взаимодействия изно­шенных поверхностей.

Во многих случаях влияние конструктивных факторов на форму изно­шенной поверхности проявляется в большей степени, чем влияние законо­мерностей изнашивания материалов. При проектировании машин конструк­тор должен располагать методами расчета на износ различных сопряжений, характерных для данной машины, чтобы обосновать выбор той или иной конструкции.

Автором разработаны методы расчета элементов и механизмов машин на износ, которые позволяют связать износ поверхности с конструктив­ными, кинематическими и силовыми параметрами сопряжений, рассчитать форму изношенной поверхности, учесть приработку неточно выполненных и деформированных тел, оценить изменение сил и характера эпюры давле­ний, которое происходит при износе, рассчитать износ жестко связанных (статически неопределимых) сопряжений и, опираясь на полученные зако­номерности, рассчитать при проектировании машин те изменения, которые происходят в машине при ее износе [1]. Кроме того, созданы методы рас­чета, которые связывают износ сопряжений с выходными параметрами механизма или машины, например с точностью осуществления заданной траектории перемещения данного рабочего органа машины, с динамически­ми нагрузками, возникающими в машине и др.

Для расчета и прогнозирования надежности механических систем с уче­том износа отдельных сопряжений и механизмов необходимо осуществить следующие этапы: 1) рассчитать износ сопряжений; т. е. рассмотреть мак­рокартину процесса изнашивания; 2) оценить влияние износа сопряжений на выходные параметры машины; 3) учесть вероятностную природу всех явлений и действующих факторов; 4) разработать модель параметриче­ского отказа для расчета показателей надежности машины при ее износе.

Прогнозирование надежности. Одним из главных недостатков приме­няемых статистических методов оценки надежности является рассмотре­ние отказов машины и ее элементов как основной категории без анализа процессов их формирования. Такой подход не создает достаточной основы для прогнозирования, так как используются конечные результаты статисти­ческих исследований. Возникновение отказа — итог ряда последователь­ных этапов, которые независимо от вида отказа имеют общие черты.

Для прогнозирования надежности необходимо в основу положить мо­дель параметрического отказа, которая дает математическое описание из-

менений выходных параметров машины с течением времени, а также учиты­вает физику происходящих явлений и их стохастическую природу.

Рассмотрим общую схему формирования параметрического отказа машины (рис. 2). Отказ произойдет тогда, когда рассматриваемый пара­метр х в результате протекания в машине различных процессов, и в первую очередь износа, достигнет своего предельно допустимого значения х тах. Поскольку время достижения предельного значения — случайная величи­на, то основной ее характеристикой будет закон распределения t, например плотность вероятности f(t). Знание этого закона позволит решать основ­ные задачи но оценке надежности изделия, так как при любом фиксирован­ном значении времени работы изделия t-T можно определить вероятность его безотказной работы P(t).

На схеме показаны основные этапы формирования закона f(t). Вначале надо учесть рассеивание параметров машины f (х) относительно своего ма­тематического ожидания аа. Это связано как с рассеиванием начальных по­казателей новой машины, гак и с протеканием таких процессов, как вибра­ции, температурные деформации (смещают центр группирования на ас за t = Т0) и др., которые проявляются сразу же при работе машины. Затем на ухудшении параметров машины в процессе эксплуатации сказываются медленно протекающие процессы старения, и в первую очередь износ.

В результате всех этих явлений происходит формирование закона рас­сеивания параметра f(x; t), который определяет вероятность выхода пара­метра. г за границу хтах, т. е. вероятность отказа F(T) - 1 - Р(Т). Следует отметить, что в общем случае значение хтах также может иметь рассеива­ние, если оно оценивает диапазон требований потребителя к предельным значениям показателей машины.

Рассмотрим реализацию данной схемы для случая, когда начальные зна­чения параметра функционирования х распределены по нормальному зако­ну (его параметры а0 и ста), и процесс изменения а подчиняется линейной зависимости, причем его скорость имеет рассеивание с параметрами ут и

ох-

Если в машине происходят изменения параметра, связанные с процес­сами средней скорости (например, тепловыми деформациями), которые проявляются в течение ее непрерывной работы Тп, то необходимо учиты-

вать рассеивание параметров в конце периода Т0 (параметр стс) и смеще­ние центра группирования на величину ас.

Тогда вероятность безотказной работы Р(Т) при данном значении I ~ Т может быть подсчитана:

Р (t = Т) = 0,5 + Ф

где Ф — нормированная функция Лапласа: 0 <Ф < 0,5: t-T - продолжи­тельность эксплуатации машины. Следует отметить, что распределение f{t) = ~dP{t)jdt не подчиняется нормальному закону.

Прогнозирование состоит из следующих этапов:

1. Для каждого из выходных параметров изделия х,, х2, ..., хп устанав­ливается их предельное состояние Ximax и оценивается рассеивание (оа) от­носительно среднего значения (а0)и их изменение за период Т0 (ас; ас). При наличии опытного образца эти данные могут быть получены на основе специальных испытаний.

2. Для оценки скорости изменения выходного параметра ух надо устано­вить ее аналитическую зависимость от скоростей изнашивания отдельных элементов машины:

Ух =^р(Уі, Уг,-,Ук) ■ (2)

Эта зависимость часто является линейной и может быть попучена на основа­нии анализа схемы износа данного узла [1].

3. Зависимость (2) является функцией случайных аргументов, так как скорость изнашивания у; зависит от многих факторов (нагрузки, скорости скольжения, смазки, качества материала и др.) и имеет дисперсию.

Информация о скорости изнашивания может быть получена на основании теоретических расчетов [4], испытания образцов или узлов трения на износ, статистических данных по эксплуатации аналогичных узлов трения.

Для получения законов распределения у, и ух можно применять метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). В большинстве случаев эти распределения подчиняются нормальному закону.

4. Прогнозирование надежности для принятых выше условий может осуществляться по формуле (1). Эта формула позволяет либо по задан­ной длительности межремонтного периода t= Т оценить вероятность без­отказной работы изделия, либо при регламентированном значении P(t) оце­нить его ресурс по данному параметру (t =TV — гамма-процентный ресурс) .

Прогнозирование надежности наиболее целесообразно осуществлять с применением ЭВМ. На рис. 3 схематично показаны этапы прогнозирования параметрической надежности изделия при износе его элементов с использо­ванием в качестве входных данных расчетных или полученных на основе специально проведенных испытаний для оценки начальных параметров из­делия [3]. В качестве примера показано влияние износа направляющих на изменение траектории А, оценивающей точность функционирования машины.

Многократные расчеты данного параметра при различных входных дан­ных, т. е. моделирование процесса эксплуатации машины, например исполь­зование метода Монте-Карло, позволяет получить закон распределения

Параметры режима работы машины

Скорость изменения выходных параметров

fbx)

Т

Результаты программных испытаний или расчета начальных параметров

Рис. 3. Этапы прогнозирования параметрической надежности изделия

скоростей ух изменения выходного параметрах = А. Применение модели параметрического отказа (см. рис. 2) дает возможность рассчитать пока­затели надежности по каждому выходному параметру изделия.

При оценке начальных параметров машины часто расчеты не дают доста­точно достоверных данных. В этом случае, а также для проверки точности полученных расчетов необходимо проводить испытание опытных образцов новых машин. Разработка таких методов испытания машин по парамет­рам качества и надежности, которые давали бы объективную оценку их характеристик и позволяли бы численно оценивать надежность, является самостоятельной весьма актуальной проблемой.

Испытание опытных образцов машин по параметрам качества и надеж­ности. Для решения этой проблемы весьма важно разработать такие мето­ды испытания опытного образца машины, которые давали бы оценку ее параметров с учетом всего спектра внешних воздействий, позволяли бы прогнозировать изменение этих параметров в процессе эксплуатации и с использованием методом диагностики осуществлять целенаправленный поиск тех элементов машины, параметры которых в первую очередь не­обходимо изменить для достижения требуемого уровня качества и надеж­ности.

Автором на базе общей теории надежности машин [1] разработан про­граммный метод испытания [2], при котором основная цель испытания заключается в оценке сопротивляемости машины всему спектру внеш­них воздействий и выявлении областей состояний регламентируемых вы­ходных параметров.

Особенностью данного метода является сочетание испытания с прогно­зированием надежности на основе моделей отказов и с использованием
как априорной информации, так и информации, полученной при испыта­нии, например, станка.

Поскольку при испытании обрабатывается большое количество инфор­мации, оно проводится на испытательно-диагностических комплексах с применением ЭВМ для управления испытанием, обработки информации и прогнозирования надежности.

На рис. 4 показана структура испытательно-диагностического комплек­са и основные взаимодействия его составных частей. Испытание идет в режиме автоматизированного эксперимента и состоит из последователь­ных циклов, число которых должно быть достаточным для статистической обработки (обычно 100—200 циклов). Каждый цикл осуществляется при своем сочетании факторов, влияющих на параметры машины. Параметры измеряются специальным комплексом и вводятся в ЭВМ, где обрабаты­ваются, и результаты расчета хранятся в памяти машины.

ЭВМ управляет формированием всех циклов и после их окончания производит обработку результатов всех измерений, а также с учетом ап­риорной информации осуществляет прогноз о возможном изменении параметров при длительной эксплуатации машины.

На рис. 5 показана блок-схема программного испытания машины, из которой видно взаимодействие отдельных блоков, каждый из которых представляет собой цикл испытаний или расчетов для получения информа­ции, необходимой для оценки качества и надежности машины. Первый блок связан с формированием значений тех параметров, которые будут варьироваться при испытании. Сюда относятся величины и направления внешних сил (включая их динамические составляющие), скорости и зако­ны перемещения узлов машины, тепловые воздействия на машину и др. Различные сочетания этих параметров при каждом цикле испытания (на­пример, по методу Монте-Карло) дадут возможность оценить выходные параметры машины в вероятностном аспекте.

Для формирования значений варьируемых параметров используется априорная статистическая информация о спектрах эксплуатационных нагрузок и условиях работы машины. Полученные значения входных параметров определяют выходные параметры машины, в качестве кото­рых согласно методике программного испытания [2] могут быть приняты основные характеристики, определяющие количество машины, например параметры траекторий перемещающихся узлов, динамические нагрузки, КПД и др.

Для расчета показателей качества и параметрической надежности маши­ны информация поступает двумя потоками. Первый поток информации получают из испытательно-диагностического комплекса как результат испытания данного образца машины. Второй поток информации является результатом прогнозирования возможного изменения выходных парамет­ров машины при износе ее базовых элементов.

Для получения этих данных, помимо специальных методов расчета, необходимо иметь сведения о скоростях изнашивания отдельных сопря­жений. Эти значения получаются как путем обработки результатов эксплуа­тационных наблюдений за износом сопряжений у аналогичных моделей машины (прототипов разрабатываемой конструкции), так и при исполь­зовании специальных методов физико-статистического моделирования

7. Зак. 2 97
износа [1, 3]. В основу расчета показателей качества и надежности машины положена модель параметрического отказа.

Если полученные показатели не удовлетворяют техническим требова­ниям к машине, необходимо осуществить оптимизацию входных парамет­ров и вновь провести циклы испытаний и прогнозирования.

В результате испытания и прогнозирования должны быть получены сле­дующие характеристики качества и параметрической надежности машины:

численные характеристики областей состояний (области, в которых с заданной вероятностью находятся регламентируемые выходные параметры машины);

запасы надежности для каждого из выходных параметров (отношение допустимых значений, определяющих область работоспособности, к факти­ческим, определяющим область состояний);

ресурс при заданной вероятности безотказной работы машины или ве­роятность ее безотказной работы в течение заданного периода эксплуатации при сохранении всех регламентированных параметров в допустимых преде­лах (например, если задан ресурс до среднего или капитального ремонта).

Данная блок-схема и методический подход могут быть использованы и на стадии проектирования, когда вместо испытания проводятся расчеты выходных параметров машины. В этом случае необходимо иметь аналити­ческие зависимости, связывающие регламентированные характеристики машины с ее конструкцией и размерами, геометрической точностью, жест­костью, теплостойкостью и другими параметрами.

Наличие таких зависимостей связано с уровнем развития машиноведе­ния. Многие из них уже разработаны и могут быть использованьигри расче­тах в соответствии с данной блок-схемой, если рассматривать аргументы этих уравнений как случайные величины со своими законами распреде­ления.

Их достоверность и возможность использования при расчетах должны подтвердиться при испытании опытного образца машины. Возможно так­же решение обратной задачи — расчет тех требований к точности, жестко­сти, теплостойкости и износостойкости машины, которые обеспечат нахож­дение ее выходных параметров в заданных пределах в течение регламенти­рованного периода времени.

Разработка методов повышения надежности машин. Методы повышения надежности разнообразны и широко используются при проектировании раз­личных изделий машиностроения.

Одно из основных направлений — это повышение стойкости изделий к внешним воздействиям. Сюда можно отнести использование методов создания прочных, жестких, износостойких узлов путем их рационального проектирования и надлежащего выбора конструкционных материалов с высокой прочностью, а также различных смазок трущихся поверхностей. Это направление объединяет все новейшие достижения в области кон­струирования и технологии, которые позволяют увеличивать стойкость узлов и механизмов по отношению к воздействиям, характерным для данного типа машин.

Методы повышения надежности тесно связаны с задачами, встающими перед конструкторами, технологами и эксплуатационниками не только в связи с надежностью, но и с необходимостью обеспечивать заданные тех­нические характеристики изделия, всемерно повышать производитель­ность машин, уменьшать их габариты и металлоемкость.

Однако возможности сопротивления внешним воздействиям не безгра­ничны: нет совершенно неизнашивающихся материалов и практически не­возможно обеспечить во всех механизмах только жидкостное трение, нет материалов, которые не деформировались бы и не изменяли своих раз­меров при колебаниях температуры и т. д. Если к этому прибавить, что

99

всегда имеются источники внешних и внутренних воздействии на машину и что требования к ее выходным параметрам постоянно повышаются, можно сказать, что указанные методы повышения надежности необходи­мы, но недостаточны. Они ограничены уровнем развития той или иной области техники.

Одним из ведущих направлений повышения надежности при проектиро­вании является создание оптимальной конструкции машины. С позиций надежности оптимальной будет такая конструкция машины и ее элементов, когда с наименьшими затратами средств достигается требуемая продолжи­тельность работы отдельных узлов, механизмов и машины в целом при заданной безотказности и регламентированных затратах на ремонт и тех­ническое обслуживание.

В основу создания рациональной конструкции должен быть положен рас­чет, связывающий изменение выходных параметров изделия с процессами повреждения. Только раскрытие этих взаимосвязей позволит находить такие решения, когда износ, усталость, коррозия и другие явления не будут проявляться в течение заданного ресурса или будут оказывать незначитель­ное влияние на выходные параметры изделия.

Другой путь повышения надежности работы машин и изделий — это изо­ляция их от вредных воздействий. Здесь характерны такие методы, как установка машины на фундамент, защита поверхностей от запыления и загрязнения, создание для машин специальных условий по температуре и влажности, применение антикоррозийных покрытий и т. д.

Например, создание цехов с постоянными температурой и влажностью и строгой регламентацией степени запыленности атмосферы не только обеспечивает выпуск точной и надежной продукции, но и повышает надеж­ность работы прецизионного технологического оборудования. Различного рода виброизолирующие и амортизационные устройства предотвращают воздействие пиковых нагрузок, не пропускают вредные для изделия ча­стоты.

Экраны, охраняющие изделия от тепловых излучений и радиации, спе­циальные устройства для защиты от влаги и агрессивных сред, механизмы, удаляющие отходы производства, фильтры, очищающие масло, воздух и топливо, и многие другие устройства создают более благоприятные условия для работы машин, повышают их надежность. Однако возможнос­ти изоляции машины от внешних воздействий также ограничены, они тре­буют, как правило, больших затрат, не всегда исключают основные причи­ны, снижающие надежность машины. Кроме того, имеются внутренние источники возмущений (вибрации самой машины, тепловыделения в уз­лах и механизмах и т. п.) , влияние которых трудно изолировать.

Для решения проблемы надежности существует еще одно мощное сред­ство — применение автоматики в целях обеспечения длительного выпол­нения машиной своего служебного назначения в разнообразных условиях эксплуатации.

Применение в машинах-автоматах развитых систем управления, расшире­ние и качественное изменение функций, выполняемых автоматом, проник­новение идей технической кибернетики в принципы действия машин — все это позволяет осуществлять широкое использование средств автомати­ки в новом аспекте.

Создание самонастраивающихся и само регулируемых машин, которые, подобно живым организмам, обладают функциями приспособления к изменившимся условиям работы и восстановления утраченной работо­способности, позволит машине не только обладать способностью выполнять заданную работу (например, обеспечить ход технологического процесса), но и осуществлять свои функции длительное время. При этом можно не опасаться как внешних воздействий, так и процессов, происходящих в самой машине. В настоящее время эти идеи начинают осуществляться на практике.

Автоматика так же необходима для обеспечения качества и надежности современных сложных машин, как и для выполнения ими рабочих функций. Применение принципа саморегулирования, при которхэм машина при помо­щи специальных устройств автоматически восстанавливает утраченные функции и не реагирует на внешние возмущения, является перспектив­ным при создании сложных машин и систем.