№ НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО
А.С. Проникав
Надежность
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО Межиздательская серия
А.С.Проников
Надежность машин
Москва « Машиностроение »1978
ББК 34.41
П78
УДК 69-19
Редактор канд. техн, наук А. А. Смирнов
РецензентХр техн, наук проф. О. Н. Трифонов
Проников А. С*
П78 Надежность машин. — Мл Машиностроение, 1978.—592 с., ил.(Межиздательская серия «Надежность и качество»).
В перл 2 р. 50 к.
В книге рассмотрены основные проблемы надежности машин, возникающие на стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации. Основное внимание уделено общим закономерностям потери машиной работоспособности. Рассмотрены методы расчета и прогнозирования надежности, модели отказов, испытания на надежность, расчеты на износ, диагностики технических устройств.
Материалы базируются на обобщении и критической переработке исследований по надежности и на оригинальных работах автора.
Книга предназначена для инженерно-технических и научных работников научно-исследовательских институтов и машиностроительных предприятий.
31301-023	ББК 34.41
11038(01)-78 23"78	6П5.1
© Издательство «Машиностроение», 1978< г
Посвящается 150-летию
МВТУ им, Н. Э. Баумана
ПРЕДИСЛОВИЕ
Основная цель книги — разработка общего методологического подхода к решению вопросов надежности изделий машиностроения, машин, оборудования, систем и их элементов.
Несмотря на разнообразие машин и условий их работы, 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 длй построения рациональных систем производства, испытания и эксплуатации машин.
Для выполнения этой задачи необходимо создать идеологию надежности, т. е. разработать такую систему понятий и взглядов, которая позволила бы различные стороны и взаимосвязи этой многогранной проблемы объединить в одно целое и установить роль, значение и пропорции всех составных частей.
Литература в области надежности безгранична. Надежность аккумулирует и синтезирует все то, что способствует повышению работоспособности изделий и их составных частей, она является зеркалом достижений в области проектирования, технологии и эксплуатации машин.
Надежность — это один из основных показателей качества изделий, проявляющийся во времени и отражающий изменения, происходящие в машине на протяжении всего времени ее эксплуатации.
Надежность должна рассчитываться уже на стадии проектирования так же, как это делается для оценки прочности, деформаций, тепловых полей и других характеристик ответственных изделий.
Статистика отказов, являющаяся до настоящего времени основным источником информации для суждения о надежности изделия, — это лишь сигнал обратной связи, дающий представление (к сожалению, с большим запозданием) о том, насколько конструкция, технология и условия эксплуатации обеспечили желаемые показатели надежности. Поэтому не статистические данные, а расчет и прогнозирование возможного поведения машины в предполагаемых условиях эксплуатации, технологическое обеспечение заданных показателей качества, специальные испытания и регламентация условий эксплуатации машин являются основой для управления надежностью и обеспечения ее требуемого уровня.
1*	3
Решение этих задач и создание инженерных методов расчета надежности осложняется следующими особенностями данной проблемы:
во всех закономерностях участвует фактор времени;
физические закономерности, определяющие изменения характеристик машины, сложны и разнообразны;
процессы изменения параметров изделия являются случайными;
все стадии создания и эксплуатации машины вносят свой вклад в формирование показателей надежности.
Автор сделал попытку построения такого методологического подхода к решению проблемы надежности, при котором сочетается применение детерминированных и вероятностных расчетов, Использование физических закономерностей, описывающих изменения начальных свойств изделий (и в первую очередь при изнашивании), позволило получить модели для оценки изменений работоспособности машин и рассмотреть влияние всех основных факторов, определяющих уровень надежности.
Автор критически отнесся к тем исследованиям в области надежности, которые отражают специфику радиоэлектроники. Для машиностроения нужно с большой осторожностью и тщательностью отбирать и использовать те работы по надежности, которые получили признание в радиоэлектронике.
При написании книги введен ряд новых понятий и показателей. Так автор считает, что во всех расчетах в числе основных показателей надо определять запас надежности по данному выходному параметру в вероятностной трактовке и при регламентированных условиях работы машины. Введено также понятие «степень повреждения» как численная характеристика изменения начальных свойств изделия в процессе эксплуатации и такие новые понятия, как потенциальные отказы, надежность технологического процесса, устойчивость изделия к отказам и др.
Настоящая работа базируется на разработанных автором разделах теории надежности: общих моделях формирования отказа и потери машиной работоспособности, методах расчета и прогнозирования параметрической надежности сложных изделий, теории расчета сопряжений и механизмов на износ, методах исследования технологической надежности оборудования, теоретических основах по формированию системы ремонта и эксплуатации машин.
Использованы также многочисленные исследования по надежности машин и по смежным вопросам.
Грандиозные задачи, поставленные Партией и Правительством перед отечественным машиностроением по дальнейшему повышению качества выпускаемых изделий, требуют глубокого изучения и исследования вопросов надежности.
Автор надеется, что данный труд внесет свою лепту в эту, еще далеко не решенную проблему. Он с благодарностью примет все пожелания и замечания по данной книге.
Д-р, техн, наук проф. А. С. ПРОНИКОВ
ЧАСТЬ I АНАЛИЗ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МАШИНЫ
«Чем дальше от доски конструктора обнаруживается ненадежность, тем дороже она обходится»
А. Н. Туполев
«•Видеть легко, трудно предвидеть»
Бенджамин Франклин
ГЛАВА 1 I РАБОТОСПОСОБНОСТЬ
| И НАДЕЖНОСТЬ МАШИН
1. Значение проблемы надежности для современных машин
1. Надежность — требование эпохи. Человек, вооруженный современной техникой, может совершать то, о чем всего несколько десятилетий тому назад он только мечтал.
На сверхзвуковом лайнере он за несколько часов преодолевает тысячекилометровые расстояния, при помощи вычислительных машин за несколько секунд делает расчеты, на которые раньше уходила целая жизнь ученого, строит промышленные комплексы, на которых тысячи механизмов по единому плану осуществляют выпуск сложнейших изделий, создает роботы, которые выполняют за него утомительную и непосильную работу, Человек штурмует космос и глубины океана, расщепляет атом, отключает больное сердце и заменяет его новым. Человек изменяет природу и заставляет ее работать более производительно и целеустремленно.
Человек всегда недоволен собой. Он ищет новые решения, создает новые машины, вырывает у природы новые тайны.
В наше время человечество вступило в этап полного овладения силами природы — в эпоху научно-технической революции. Технический прогресс связан с созданием сложных, совершенных машин и приборов, с постоянным повышением требований к их характеристикам, с необходимостью объединять в единые комплексы самые разнообразные технические устройства.
Все это приводит к тому, что возникают новые научно-технические проблемы, разрешение которых является необходимым условием для дальнейшего развития производительных сил общества.
Одной из основных проблем машиностроения является проблема надежности.
5
Для современных машин характерны такие направления их развития как увеличение степени автоматизации, повышение рабочих параметров — нагрузок, скоростей, температур, борьба за малые габариты и массу, повышение требований к точности функционирования, к эффективности их работы (производительности, мощности, КПД), объединение машин в системы с единым управлением. Усложнение машин и усиление требований к ним привели к необходимости повышения требований к их надежности и долговечности.
Надежность отражает свойство машины сохранять требуемые качественные показатели в течение всего периода эксплуатации.
Решение проблемы надежности машин — это огромный резерв повышения эффективности производства, производительности общественного труда.
Ненадежная машина не сможет эффективно функционировать, так как каждая ее остановка из-за повреждения отдельных элементов или снижения технических характеристик ниже допустимого уровня, как правило, влечет за собой большие материальные убытки, а в отдельных случаях может иметь катастрофические последствия.
В настоящее время промышленность даже передовых стран несет огромные потери из-за недостаточной надежности и долговечности выпускаемых машин. Так, за весь период эксплуатации затраты на ремонт и техническое обслуживание машин в связи с их износом в несколько раз превышают стоимость новой машины, например, для автомобилей — до 6 раз, для самолетов — до 5 раз, для станков — до 8 раз, для радиотехнической аппаратуры— до 12 раз. Из-за коррозии ежегодно теряется до 10% выплавляемого металла.
Существенное недоиспользование потенциальных возможностей имеет место для машин и агрегатов, к которым предъявляются высокие требования безотказности. Они, как правило, снимаются с эксплуатации намного раньше того срока службы, который могло бы отработать большинство данных изделий.
С особенно большими затратами времени и средств связан выход из строя уникальных машин и агрегатов, таких, как мощные турбины, доменные печи, тяжелые краны и др. Ненадежная работа технологического оборудования (металлорежущих станков, сварочных аппаратов, термических печей) может привести к выпуску некачественной и ненадежной продукции.
Но могут быть и такие последствия ненадежности изделий, которые нельзя оценить никакими экономическими показателями. Это гибель людей в результате авиационных или других катастроф, отказы военной техники в ответственные моменты.
В нашей стране проблеме качества и надежности придается первостепенное значение. Решения XXV съезда КПСС поставили перед отечественной промышленностью задачу поднять технический уровень, экономичность и качество всех видов продукции, 6
При этом подчеркивалось первостепенное значение повышения надежности машин, продления их ресурса,, сокращения трудозатрат на ремонт и техническое обслуживание.
В «Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1976—1980 годы» поставлена одна из главных проблем машиностроения — «значительно улучшить качество выпускаемых машин, оборудования и приборов, повысить их технический уровень, производительность, надежность и безопасность в эксплуатации» *. В этом основополагающем документе при рассмотрении направлений развития отдельных отраслей машиностроения проблеме качества и надежности уделено первостепенное внимание для всех основных видов машин и приборов. Там сказано о необходимости «повышать точность и надежность приборов, используемых в процессе производства», «продолжить работы по дальнейшему повышению надежности и увеличению ресурса автотранспортных средств», «обеспечить опережающее развитие ... высокоточных станков», «повысить качество и надежность тракторов, комбайнов и других машин». Таким образом, задача повышения надежности лежит в основе разработок, связанных с созданием высококачественных машин, оборудования и приборов.
Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами проектирования, изготовления и использования машины, начиная с момента, когда формируется и обосновывается идея создания новой машины и кончая принятием решения о ее списании. Каждый из этапов вносит свою лепту в решение трудной задачи создания машины требуемого уровня надежности с наименьшими затратами времени и средств. Основные решения по надежности, принятые на стадии проектирования или изготовления машины, непосредственно сказываются на ее эксплуатационных и экономических показателях, которые нередко вступают между собой в противоречие. Поэтому необходимо выявление связей между показателями надежности и возможностями по их повышению на каждом из этапов проектирования, изготовления и эксплуатации машины.
При проектировании и расчете машины закладывается ее надежность. Она зависит от конструкции машины и ее узлов, применяемых материалов, методов защиты от различных вредных воздействий, системы смазки, приспособленности к ремонту и обслуживанию и других конструктивных особенностей.
При изготовлении (производстве) машины обеспечивается ее надежность. Она зависит от качества изготовленных деталей, методов контроля выпускаемой продукции, возможностей управления ходом технологического процесса, от качества сборки машины и ее узлов, методов испытания готовой продукции, и других показателей технологического процесса.
* Материалы XXV съезда КПСС. Издательство политической литературы. М„ 1976, с. 159-238.
7
При эксплуатации машины реализуется ее надежность. Показатели безотказности и долговечности проявляются только в процессе использования машины и зависят от методов и условий эксплуатации машины, принятой системы ее ремонта, методов технического обслуживания, режимов работы и других эксплуатационных факторов.
Проблема надежности — комплексная. Она вторгается в сферы производства и эксплуатации машин, для ее решения привлекаются различные отрасли знаний, она требует принятия новых организационно-технических решений. Вместе с тем, несмотря на широту своих интересов, надежность — это новая отрасль науки и техники со своей методологией и философией, со своей спецификой и местом в ряде других наук.
2. Предмет науки о надежности машин. Надежность, как всякая новая отрасль науки, переживает бурный период развития.
В условиях технической революции практика с ее разнообразными запросами в области проектирования, производства и эксплуатации машин ставит перед наукой о надежности новые задачи по отысканию оптимальных конструктивных решений, по прогнозированию состояния машины, диагностике, обеспечению работоспособности в тяжелых условиях эксплуатации и при возникновении неожиданных ситуаций.
Наука, реагируя на эти запросы практики, модернизирует существующие теории и положения, предлагает новые математические модели. При этом для вопросов надежности особенно характерно использование самых разнообразных отраслей наук и сочетание различных методов и положений при решении поставленных задач.
Здесь используются и теория вероятностей, и физико-химическая механика, включая теорию трения и изнашивания, и разделы динамики и прочности машин, привлекаются идеи автоматического регулирования и кибернетики, развиваются положения теории технологических процессов и диагностики.
Поэтому часто возникает вопрос о месте того раздела науки, который относится к надежности и долговечности. Где граница между проблемами надежности и задачами смежных наук? Что является содержанием науки о надежности? Какие основные направления и тенденции развития характерны для нее?
Анализ существующих воззрений, монографий, читаемых курсов говорит о том, что не всегда имеется четкая точка чзрения по этим вопросам. Часто одна область теории надежности развивается до гипертрофических размеров без учета пропорций и всего комплекса знаний, необходимых для решения задач надежности. Иногда под рубрикой надежности рассматриваются вопросы, имеющие к ней лишь косвенное отношение.
Вместе с тем в настоящее время уже накоплен достаточный опыт для формулирования основных положений науки о надежности машин и определения ее места среди других отраслей знаний. 8
Наука о надежности изучает закономерности изменения показателей качества технических устройств и систем и на основании этого разрабатывает методы, обеспечивающие с наименьшей затратой времени и средств необходимую продолжительность и безотказность их работы.
Эта наука на основании прогноза поведения системы разрабатывает теорию принятия оптимальных решений для обеспечения требуемого уровня надежности.
Специфическими особенностями вопросов надежности являются:
а)	фактор времени, поскольку оценивается изменение начальных параметров в процессе эксплуатации машины;
б)	прогнозирование поведения объекта *с точки зрения сохранения его выходных параметров (показателей качества).
Следует иметь в виду, что изменение показателей качества машины во времени может быть абсолютным и относительным.
Абсолютное изменение качества связано с различными процессами, действующими на машину и изменяющими свойства или состояние материалов, из которых она выполнена, за счет чего и понижаются показатели машины и происходит ее физическое старение.
Относительное изменение качества машины связано с появлением новых машин с более совершенными характеристиками, и ее показатели становятся более низкими по сравнению со средним уровнем, хотя в абсолютных значениях они могут и не измениться, т. е. происходит моральный износ машины.
Наука о надежности изучает изменения показателей качества машины под влиянием тех причин, которые приводят только к абсолютным изменениям ее свойств.
Основная трудность при оценке надежности машин заключается в использовании таких методов расчета и таких источников информации об изменении работоспособности машины, которые позволили бы прогнозировать поведение машины в различных условиях эксплуатации.
Проблема надежности связана в первую очередь именно с прогнозом, так как констатация того или иного уровня надежности для машины, уже отработавшей свой ресурс, имеет весьма малую ценность. Особенно на ранних стадиях создания машины — при ее проектировании или при наличии опытного образца — необходимо дать оценку ее надежности в предполагаемых условиях эксплуатации.
Следует подчеркнуть, что наука о надежности не рассматривает вопросов достижения определенного уровня показателей качества машин — их точности, мощности, КПД, производительности — это задача других наук, а рассматривает процесс изменения этих показателей с течением времени.
Наука и исследования по надежности развивались до последнего времени по двум основным направлениям.
9
Первое направление, которое возникло в радиоэлектронике, связано с развитием математических методов оценки надежности, особенно применительно к сложным системам, со статистической обработкой эксплуатационной информации, с разработкой структур сложных систем, обеспечивающих высокий уровень надежности.
Второе направление, которое возникло в машиностроении, связано с изучением физики отказов (износа, усталостной прочности, коррозии), с разработкой методов расчета на прочность, износ, теплостойкость и др., с применением технологических приемов, обеспечивающих необходимую надежность машины.
В настоящий период идет процесс взаимного слияния этих двух направлений, перенесение рациональных идей из одной области в другую и формирование на этой основе единой науки о надежности изделий.
3.	Теоретическая база науки о надежности. Как всякая прикладная отрасль знаний наука о надежности базируется на фундаментальные математические и естественные науки, на те их разделы и теоретические разработки, которые способствуют решению поставленных задач.
Особое значение для науки о надежности, как и для любой науки, имеет вопрос о применении математического аппарата и привлечении уже разработанных или созданных по запросам практики новых методов, позволяющих осуществлять оценку и прогнозирование надежности изделий и сложных систем.
Математические методы теории надежности получили в настоящее время достаточно широкое развитие и дают в руки инженера богатый ассортимент возможностей для решения разнообразных задач практики.
На основе теории вероятностей и математической статистики, а также смежных с ними дисциплин, созданы и разрабатываются специальные методы расчета, связанные с основными аспектами проблемы надежности изделий. При этом, как справедливо указывает акад. Б. В, Гнеденко, «математика является лишь средством исследования и расчета, но не самоцелью. Во главе всегда должна быть инженерная проблема, и для ее решения должен привлекаться тот научный аппарат, который ближе всего соответствует природе изучаемого явления» [42].
Однако, как показывает анализ применяемых математических методов для расчета надежности в машиностроении, они далеко не всегда используются в точном соответствии с природой происходящих явлений.
При использовании разработанных методов расчета надежности для машиностроения и приборостроения, нередко без должного анализа, применялся тот же математический аппарат, что и для радиоэлектроники. Не учитывалось, что разработанные методы надежности отражали специфику объектов радиоэлектроники, как например, возможность более простой замены отка-10
завших элементов, наличие в разных устройствах однотипных элементов, широкие возможности по резервированию, высокие требования к безотказности и др. Поэтому полученные на основе таких расчетов результаты часто приходили в противоречие с опытом или не имели существенного практического значения. Создавалось впечатление, что математика слишком абстрактна для решения таких практических задач, какие ставит проблема надежности.
Математика — это инструмент, эффективность использования которого зависит от степени соответствия его возможностей поставленной задаче. Для машиностроения этот аппарат должен учитывать специфику возникновения и устранения отказов. Эта специфика связана прежде всего с тем, что не только статистика отказов является ключом для решения задач надежности. Главное заключается в изучении тех физических процессов, которые приводят к изменению начальных показателей качества машин и их элементов.
Эти процессы, подчиняясь определенным физическим закономерностям, имеют стохастическую природу, вступают в разнообразные взаимодействия, имеют сложную связь с изменением выходных параметров изделия.
Раскрытие этих связей возможно на основе функциональных зависимостей с привлечением теории вероятностей и теории случайных процессов, методов оптимизации, теории информации и математической логики и других разделов математики.
Развитие математических методов теории надежности — необходимый, но не достаточный этап для формирования теоретической основы этой науки.
Второй теоретической основой науки о надежности являются результаты исследований естественных наук, изучающих физико-химические процессы разрушения, старения и изменения свойств материалов, из которых изготовлены машины или которые необходимы для их функционирования (топливо, смазка и т. п.).
Сюда относятся науки, изучающие виды механических разрушений материалов (сопротивление материалов, ползучесть), изменения, происходящие в материалах и их поверхностных слоях (физико-химическая механика, триботехника), химические процессы разрушения в материалах (коррозия металлов, старение полимеров) и др.
С позиций надежности результаты этих наук концентрируются в области, которая получила название «физика отказов».
Физика отказов изучает необратимые процессы, приводящие к потере материалом начальных свойств при эксплуатации изделий. При этом основной особенностью этих исследований является рассмотрение всех явлений во времени. Временное закономерности физики отказов являются базой для решения основных задач надежности.
11
Наконец, теория надежности использует все те достижения в области расчета и проектирования машин данного типа, а также технологии их изготовления, которые включают зависимости, характеризующие связь показателей качества с факторами, которые могут изменяться в процессе эксплуатации и производства машины. Например, уравнения и зависимости, описывающие рабочий процесс машины, возникающие динамические нагрузки, законы перемещения рабочих органов, характеристики мощности, КПД и др., необходимы для анализа и математического описания изменений начальных показателей машины, т. е. для решения коренной задачи надежности. Для науки о надежности машин характерно сочетание вероятностных методов оценки процессов изменения их параметров качества с выявлением детерминированных закономерностей процессов старения и разрушения, а также оценка условий производства машин и тех методов эксплуатации, которые определяют их работоспособность. Ее задачи — дать методы расчета машин и их элементов из условия обеспечения требуемых показателей надежности.
Однако в настоящее время в инженерной практике, как правило, не применяются расчеты на надежность и долговечность машины, нет даже общей схемы такого расчета, а имеются лишь отдельные виды расчетов, представляющие собой по существу разрозненные этапы комплексного решения.
Такое положение объясняется чрезвычайной сложностью проблемы расчета машин на надежность. Это связано не только с объемом расчетов, поскольку каждая современная машина имеет большое число элементов с потенциальной возможностью отказа (для вычислений можно использовать ЭВМ), но и с разработкой принципиальной схемы расчета машины на безотказность и долговечность.
Расчеты машин на надежность сложны также и потому, что в основе инженерной задачи по определению параметров машины с учетом износа, коррозии, усталости и др. лежат разнообразные по физической сущности и характеристике процессы.
Если учесть, что для многих современных машин характерен не только широкий диапазон скоростей и нагрузок, но и воздействие коррозионно-агрессивных сред, высоких и низких температур, наличие вакуума, электромагнитных влияний, ядерных облучений и других воздействий, то отыскание закономерностей протекания процесса разрушения возможно только на основе применения методов и средств физико-химической механики материалов.
Но как бы ни были сложны закономерности процесса разрушения материала изделия — это лишь первый этап инженерных расчетов на надежность. Кроме того, должны быть разработаны методы расчета на долговечность и безотказность различных элементов машины с учетом характера действующих сил и скоростей, размеров и конфигурации сопряжения, условий эксплуата-12
ции, служебного назначения данного узла и требований, предъяв* ляемых к его выходным параметрам. При этом должна быть учтена вероятностная природа протекающих процессов разрушения материалов изделия. Вот почему вопросам расчета на надеж* ность и прогнозированию потери машиной работоспособности должно уделяться первостепенное внимание.
4.	Философские предпосылки проблемы надежности. Рассматривая надежность с позиций диалектического материализма, следует в первую очередь ответить на два связанных между собой вопроса.
Во-первых, является ли потеря машиной с течением времени своих начальных характеристик обязательным процессом? Иными словами не лучше ли создавать абсолютно надежные машины, чем изучать их ненадежность?
Во-вторых, какие философские категории и закономерности определяют методологический аспект проблемы надежности?
Любая машина, выполняя определенные функции, находится во взаимодействии с окружающей средой, с человеком, управляющим машиной, с объектом, для которого она предназначена (технологические машины — с обрабатываемым материалом, транспортные — с перевозимым грузом и т. п.).
При этом возникают разнообразные причинно-следственные связи как формы проявления всеобщей универсальной связи явлений в природе. Накопление количества различных воздействий на машину приводит к эволюции ее качественных показателей и в соответствии с законами диалектики к возможности перехода в иное качественное состояние.
Поэтому изменения, которые происходят в машине при ее эксплуатации, являются закономерным проявлением важнейшего и неотъемлемого свойства всех материальных объектов — движения, в его философском понимании, ибо ничего неизменного в природе нет.
Мы можем замедлить нежелательные для нас изменения, сделать так, чтобы отклонения качественных показателей машины находились в течение необходимого времени в допустимых пределах, но исключить их полностью нельзя.
Характерно отношение различных наук к возможности создания идеальных машин и механизмов.
Если классические науки, например механика, при исследовании машин и механизмов идеализировали те условия, в которых протекает их работа, считали возникающие ошибки и отклонения в их функционировании необязательными, то современная наука, особенно кибернетика, рассматривает ошибки функционирования как естественное свойство реальной системы.
Машину нельзя изолировать от влияния среды, в которой она работает, от влияния процессов, которые протекают в ней самой при осуществлении рабочих функций, от действия остаточных явлений, являющихся следствием технологических про
13
цессов, применявшихся при изготовлении машины. Все виды энергии — механическая, тепловая, химическая, электромагнитная — воздействуют на машину и вызывают в ней обратимые и необратимые процессы, снижающие ее начальные характеристики.
Поэтому необходимо изучать источники и причины вредных воздействий на машину, исследовать физическую сущность процессов, снижающих работоспособность машины, изучать реакцию машины на различные воздействия и на основании этого создавать такие системы, которые могли бы в течение необходимого периода времени выполнять заданные функции, не опасаясь взаимодействий с внешней средой. -
z Надежность изделия является одним из основных показателей его качества.
В философском понимании качество — это неотъемлемая от объекта совокупность признаков, выражающая его специфику и отличие от других объектов или явлений.
Под качеством технического устройства понимается обычно совокупность свойств, определяющих степень его пригодности для использования по назначению.
Но поскольку использование данного изделия по назначению происходит в течение определенного, как правило, длительного периода времени, под влиянием различных факторов может произойти изменение свойств, которые определяют его качество.
Поэтому надежность, которая изучает изменение показателей качества во времени, является как бы «динамикой качества», его разверткой во времени.
5.	Экономический аспект надежности. Оценка достигнутого уровня надежности и необходимость его повышения должна решаться в первую очередь с экономических позиций, ибо экономика является' основным критерием для решения большинства практических вопросов надежности. Ведь современный уровень развития техники позволяет достичь практически любых показателей качества и надежности изделия и все дело заключается в затратах на достижение поставленной цели.
Эти затраты могут быть столь высоки, что эффект от повышенной надежности объекта не возместит их, и суммарный результат от проведенных мероприятий будет отрицательным.
Конечно, очень многое зависит от характера принимаемых решений. Часто мероприятия по повышению, надежности могут и не требовать существенных затрат, поскольку наука и практика подсказывают рациональные решения. Однако всегда имеется широкий диапазон самых разнообразных возможностей по повышению начального качества машины и изменению ее конструкции, по применению более качественных материалов, по выбору различных вариантов технологического процесса и использованию специальных методов, повышающих надежность изделий, по применению той или иной системы ремонта и технического обслуживания машин и т, п.
14
Рис. 1. Изменение экономической эффективности машины во времени
Сравнение различных вариантов достижения требуемого уровня надежности должно исходить из. условия получения наибольшего суммарного экономического эффекта с учетом затрат в сферах производства и эксплуатации машины и того положительного экономического эффекта, который дает использование машины по назначению. В общем случае изменение во времени суммарного экономического эффекта при
под влиянием двух основных факторов (рис. 1). С одной стороны, необходимо учитывать затраты на изготовление новой машины Си, включая ее проектирование, изготовление, испытание, отладку, транспортировку к месту работы и другие затраты, а также затраты на эксплуатацию Сэ, включая техническое обслуживание, ремонт, профилактические мероприятия — все то, что связано с поддержанием и восстановлением работоспособности машины. Эти затраты @э 4- Си являются отрицательными в балансе эффективности.
С другой стороны, работа машины дает положительный экономический эффект Qp (прибыль) в зависимости от ее целевого назначения, например, для технологического оборудования, в результате выпуска продукции, для транспортных машин при перевозке грузов, для двигателей как следствие преобразования энергии и т. п.
Изменение Сэ в функции времени имеет тенденцию к возрастанию, так как старение отдельных элементов машины приводит к необходимости вкладывать все большие средства для восстановления утрачиваемых свойств.
Изменение СР во времени, наоборот, имеет тенденцию к уменьшению интенсивности роста, поскольку более частые простои машины в ремонте и техническом обслуживании снижают ее производительность. Поэтому кривая суммарной эффективности
С(0 = Си + Сэ(0 + СР(0
имеет максимум и два раза пересекает ось абсцисс f.
При возрастании Q период времени t = Ток, при котором Си + Сэ = Ср, будет являться сроком окупаемости, когда ма« шина при эксплуатации возвратила затраты, которые были в нее вложены при изготовлении. Начиная с этого момента при. t =
15
машина начинает приносить прибыль. Однако прирост полученного эффекта постепенно снижается из-за возрастания эксплуатационных затрат до t = Тпр, когда снова 4-	= Qp. При t >
> Тпр затраты на эксплуатацию больше того экономического эффекта, который может обеспечить машина. Длительность экономически целесообразной эксплуатации машины Т3 находится в диапазоне между Тгаах и предельным сроком службы машины Гпр:
^тах <ТЭ<Т пр.
Выбор варианта машины с позиций надежности должен исходить из сравнения затрат на изготовление и эксплуатацию машины с тем экономическим эффектом, который она сможет обеспечить. Например, как это видно из рис. 1, начальная стоимость машины № 2 выше, но за счет показателей производительности, качества и надежности она дает больший экономический эффект и ее целесообразно эксплуатировать более длительное время. При оценке разнообразных возможностей по повышению и обеспечению надежности машин экономический критерий является важнейшим для выбора оптимальных решений.
2, Основные понятия и показатели
1. Работоспособность и надежность изделий. При изучении надежности технических устройств рассматриваются самые разнообразные объекты—машины, сооружения, аппаратура и др. Для машиностроения объект рассмотрения будем называть изделием. В зависимости от поставленной задачи изделием может быть отдельная деталь, кинематическая пара, узел, агрегат, машина в целом или система машин.
Решение задачи по повышению или оценке надежности сложной машины обычно включает рассмотрение ее элементов, отдельных узлов и агрегатов.
Каждое изделие характеризуется определенными выходными параметрами — величинами, определяющими показатели качества данного изделия. Выходные параметры могут характеризовать самые разнообразные свойства данного изделия в зависимости от его назначения и тех требований, которые к нему предъявляются. Это могут быть показатели точности функционирования, механические и прочностные характеристики, кинематические и динамические параметры, экономические показатели и др.
Обычно каждое изделие характеризуется рядом выходных параметров и их допустимое значение оговаривается в нормативных документах (стандартах, технических условиях).
Значение каждого выходного параметра зависит от выходных параметров узлов и отдельных частей, составляющих данное изделие.
Термины и определения по надежности стандартизованы (ГОСТ 13377—75). Ниже приведены основные из них.
16
Работоспособность это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативнотехнической документацией.
Техническая документация предусматривает уровень внешних воздействий, методы технического обслуживания и ремонта (систему ремонта, затраты на ремонт и др,), нормы и допустимые отклонения от установленных параметров.
Таким образом, работоспособность изделия связана не только со «способностью работать», т. е. выполнять необходимые функции, но и с тем, чтобы при этом выходные параметры изделия находились в допустимых пределах.
Отказ — это событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия. Примеры отказов: поломка вала, заклинивание золотника гидросистемы, выход за допустимые пределы КПД двигателя, времени включения фрикционной муфты, величины деформации станины станка и др. Естественно, что различные отказы имеют и разные последствия — от незначительных отклонений в работе машины до аварийных ситуаций. Поэтому ниже будут особо рассмотрены показатели для оценки степени опасности отказов и классификация отказов (см. гл. 1, п. 4).
Любой отказ возникает или может возникнуть через некоторый период времени, который является случайной величиной. В зависимости от причин отказа следует по-разному оценивать и время работы изделия. Здесь могут быть два основных случая (табл. 1). Первый — когда время оценивается календарной продолжительностью работы изделия. Это характерно для таких причин нарушения работоспособности изделия, как коррозия, действие внешних температурных факторов или облучения и др. Время работы до отказа в этом случае называется сроком службы до отказа.
Однако для большинства машин и их механизмов основное значение для оценки потери работоспособности имеет не календарное время, а продолжительность работы изделия или соответствующий ей объем выполненной работы (число циклов, путь,
Таблица 1
Оценка длительности эксплуатации изделия
Исчисление времени работы	Время работы до отказа (случайная величина)	Регламентированное время работы изделия (детерминированная реличина)
В отработанных часах (наработка)	Т — наработка до отказа	Гр — ресурс
В календарных часах (время работы)	Т — срок службы до отказа	Тел — срок службы
17
производительность и т. п.). Время работы изделия до отказа, выраженное в часах, называется в этом случае наработкой до отказа.
Изделие или его элемент характеризуются, как правило, не одним, а несколькими выходными параметрами. Срок службы или наработка изделия до отказа — это время достижения предельного значения любым из его выходных параметров. Длительность работы изделия по тем или иным причинам (необходимость ремонта, возрастание опасности дальнейшей эксплуатации) может быть регламентирована.
Наработка или срок службы до предельного регламентированного состояния называется соответственно ресурсом или допустимым сроком службы.
Следует отметить, что время работы изделия до отказа — случайная величина, в то время, как ресурс или допустимый срок службы — неслучайные величины. ГОСТ 13377—75 предусматривает применение таких показателей, как назначенный, гаммапроцентный, средний ресурс (или средний срок службы). Пересчет календарных часов в число часов работы изделия не представляет трудностей, если известен коэффициент загрузки машины и доля участия данного механизма в цикле работы.
Надежность — это свойство изделия сохранять во времени свою работоспособность.
Надежность изделия — обобщенное свойство, которое включает в себя понятия безотказности и долговечности. Разделение надежности на эти две основные категории зависит от того, какой промежуток времени рассматривается и учитываются ли мероприятия, связанные с восстановлением утраченной работоспособности.
Безотказность — это свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого периода времени или некоторой наработки.
Долговечность — это свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, т. е. в течение всего периода эксплуатации при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.
Таким образом, надежность изделия определяется его безотказностью и долговечностью. Первое из них рассматривает как бы самостоятельную непрерывную работу изделия без каких-либо вмешательств для поддержания работоспособности.
Долговечность изделия, наоборот, рассматривает работу изделия за весь период его эксплуатации и учитывает, что длительная работа изделия невозможна без ремонтных и профилактических мероприятий, восстанавливающих работоспособность, утрачиваемую в процессе эксплуатации.
Основные причины, определяющие надежность изделия, связаны, как правило, со случайными явлениями, для описания которых применяется математический аппарат теории вероятностей, 18
Так, отказ в это случайное событие, срок службы или наработка до отказа — случайная величина и процесс, приводящий к потере работоспособности (например, износ) — случайная функция. Поэтому и показатели, применяемые для оценки надежности изделия, имеют вероятностную природу.
2. Показатели для оценки безотказности изделия,' Основным показателем безотказности изделия является вероятность безотказной работы Р (/) (коэффициент надежности) — вероятность того, что в заданном интервале времени t = Т (или в пределах заданной наработки) не возникнет отказа изделия. Значение Р (/), как всякой вероятности, может находиться в пределах 0 < Р (0 < 1.
Например, если вероятность безотказной работы машины в течение Т — 1000 ч равняется 0,95, то это означает, что из большого количества машин данной модели в среднем около 5 процентов машин потеряют свою работоспособность раньше, чем через 1000 ч работы.
Показатель Р (/) может быть применим и для оценки безотказности одного изделия. В этом случае он как бы определяет шансы изделия проработать без отказов заданный период времени. Вероятность безотказной работы Р (f) и вероятность отказа F (/) образуют полную группу событий, поэтому
P(0 + f(0=l.	(1)
Допустимое значение Р (t) выбирается в зависимости от степени опасности отказа. Например, для ответственных изделий авиационной техники допустимые значения коэффициента надежности доходят до Р (0 = 0,9999 и выше, т. е. практически равны единице.
Если последствия отказа связаны с незначительными экономическими потерями, допустимое значение Р (/) может быть суще-ственно ниже (см. п. 4 и 5).
Следует иметь в виду, что применение Р (/) без указания периода времени t = Т, в течение которого рассматривается работа изделия, не имеет смысла. На рис. 2 приведен пример функции безотказной работы изделия Р (/). Пунктиром показана кривая вероятности отказов (/), которая симметрична по отношению к /\ (/) и обе кривые пересекаются в точке, соответствующей среднему (медианному) сроку службы (наработке) изделия t = = Тср, при котором Р (t) = F (t) = 0,5.
Из графика видно, что для данного изделия при его работе в течение ? = 7\ безотказность работы весьма высокая, так как Pi (/)	1, а при t — Tz значение Рх (0 = 0,8. Каждому изделию
в зависимости от его работоспособности соответствует своя кривая Р (0. Так, на рис» 2 изображена кривая Р2 (t) для более надежного изделия, для которого область безотказной работы значительно больше и, например, при t = Т2 значение Pz(t) — 1-
19
Рис. 2. Зависимость вероятности безотказной работы Р (I) изделия от времени его эксплуатации
Выбирая значение Т можно для любого изделия обеспечить требуемое Р (/), так как они связаны функциональной зависимостью
Р(О= J t=>T
(2)
где f (t) — плотность вероятности для срока службы (наработки) изделия по данному выходному параметру (см. рис. 3).
При этом могут быть два способа выбора показателей.
1.	При высоких требованиях к надежности изделия задаются допустимым значением Р (/) ~ у % и определяют время работы изделия t — Ту> соответствующее данной регламентированной вероятности безотказной работы. Значение Tv называется гаммапроцентным ресурсом и по его значению судят о большей или меньшей безотказности изделий.
2.	При обычных требованиях к надежности (где отказ не приводит к катастрофическим последствиям) можно задаваться ресурсом изделия t — Тр (или сроком службы t = Гсл), например, из условия необходимости проведения планового ремонта всей машины. В этом случае о безотказности изделия судят непосредственно по значению Р (t).
Хотя значение Р (/) за соответствующий период времени t = Т и является основным показателем безотказности, могут быть случаи, когда оно перестает быть наглядным и требуются дополнительные показатели (табл. 2).
Первый случай связан с таким периодом t = Т, в течение которого, как правило, могут возникать отказы данного изделия и, следовательно, Р (t) —> 0. Это характерно для таких отказов, которые легко устранимы и не приводят к каким-либо значительным последствиям (например, замена режущего инструмента при работе на станке, необходимость поправлять в транспортном лотке заклинившиеся детали и т. п.).
В этом случае характеристикой безотказности может служить ведущая функция Q (t) — среднее число отказов (математическое ожидание числа отказов) за время t или параметр потока отказов со:
, i\ dQ (/)	1
«(0=-^- = -^.	(3)
где Тер — наработка на отказ — отношение суммарной длительности работы (наработки) изделия к числу отказов, возникших 20
за этот период (т, е. средняя продолжительность безотказной работы изделия).
Параметр потока отказов — это среднее число отказов изделия в единицу времени.
Другой крайний случай, когда трудно непосредственно применять Р (0, возникает при оценке безотказности высоконадежных изделий, когда значение Р (/) близко к единице или равно ей. Создание высоконадежных изделий с Р (t) = 1 возможно за счет большой избыточности, т. е. при наличии запаса надежности. Этот запас может быть определен, если оцениваются физические процессы, приводящие к отказу изделия, и для данных условий эксплуатации определяется максимально возможная скорость данного процесса.
Пусть известно, что за данный период времени t = TQ параметр изделия X может принимать различные значения (так как является случайной величиной), но его экстремальная величина за данный период времени t « То будет Хэк (см. рис. 3). Это значение определено, например, из оценки скорости износа сопряжения для наиболее неблагоприятных условий эксплуатации (максимальные режимы, отсутствие смазки и т. п.). Тогда, если значение параметра, при котором наступит отказ изделия, будет Хтах > Хэк, запас надежности Кн можно подсчитать как *„=-^>1.	w
Лэк
Запас надежности может подсчитываться так же, как отношение Хтах к такому значению параметра Xv, при котором с вероятностью у параметр не выйдет за данные пределы, т. е.
Таблица 2
Показатели безотказности работы изделия
Наличие отказов ва рассматриваемый промежуток времени / = Т	Значение Р (/)	Основной показатель безотказности
Как правило, имеют место	Р(О-*о	со — параметр потока отказов
Могут быть или нет (редкое событие)	О<Р(0<31	Р (0 — вероятность безотказной работы
Недопустимы	р W -1	Кн — запас надежности
21
При работе изделия происходит изменение его работоспособности и поэтому запас надежности является функцией времени Лн (/) и, как правило, уменьшается в процессе эксплуатации машины. Показателем надежности может служить также скорость изменения запаса надежности
Следует подчеркнуть, что при оценке безотказности машины нас интересует сам факт прекращения нормального функционирования машины и не интересуют время или средства, необходимые для восстановления утраченной работоспособности.
Показатели безотказности могут относиться как к элементу изделия, так и к изделию в целом. В последнем случае отказы могут быть различными по характеристике в соответствии с теми выходными параметрами, которые определяют работоспособность изделия. В зависимости от поставленной задачи можно классифицировать отказы по степени тех последствий, к которым они приводят, и по ней назначать допустимые значения показателей безотказности. Надо иметь в виду, что за рассматриваемый период времени машина может подвергаться ремонту или техническому обслуживанию и по причинам, не связанным с изменением данных выходных параметров.
3.	Показатели для оценки долговечности изделия.; Показатели долговечности оценивают потерю работоспособности изделия за весь период его эксплуатации.
Следует различать показатели для долговечности элемента изделия и для изделия или машины в целом.
Основным показателем долговечности элемента изделия является его срок службы (наработка} до отказа Т,
Значение Т определяется предельно-допустимой величиной выходного параметра X = Хтах и некоторым случайным процессом потери работоспособности X (t) — например, износом изделия, его коррозией и т. п. (см. гл. 2). Срок службы (наработка) до отказа t = Т является случайной величиной и характеризуется некоторым законом распределения, например плотностью вероятности f (t) (рис. 3) и числовыми характеристиками — математическим ожиданием М (/), дисперсией D = о2 и др.
Если имеется регламентированное значение вероятности безотказной работы Р (0, то соответствующее ему значение Т превращается в неслучайную величину — гамма-процентный ресурс. Срок службы (ресурс) Тр является неслучайной величиной и тогда, когда его значение задано исходя из тех или иных условий, например из требований системы ремонта и технического обслуживания.
После периода работы элемента t — Тр деталь или изделие должны ремонтироваться или заменяться. Следует предостеречь от весьма распространенной ошибки, когда считают, что изделие, 22
Рис. 3. Формирование закона распределения времени безотказной работы
как правило, работает до отказа. Это относится к весьма ограниченному числу деталей и узлов, обычно к тем, которые не оказывают существенного влияния на работоспособность машины. Типичным для изделий машиностроения является случай, когда срок службы или ресурс регламентированы и заменяемая или ремонтируемая деталь еще обладает потенциальной работоспособностью, так как не достигла своего предельного состояния.
Если долговечность элемента изделия характеризуется одним показателем — Г, то совершенно иная картина для сложного изделия или машины, которые насчитывают десятки и сотни тысяч элементов со своими сроками службы.
Даже одна деталь имеет, как правило, не один, а несколько сроков службы в соответствии с теми причинами, которые обусловливают отказ, и теми выходными параметрами, которые оценивают качество детали. Например, вал машины может выйти из строя в результате износа шейки, смятия шлицев, деформации тела вала и его усталостного разрушения.
Соответственно и методы восстановления утраченной работоспособности будут различными: шлифование шейки под подшипник скольжения, восстановление шлицев, правка вала, его замена при поломке. Долговечность сложного изделия должна оцениваться с учетом сроков службы (наработки) отдельных его элементов. При этом необходимо установить причины, которые определяют предельное состояние и продолжительность эксплуатации изделия.
Предельное состояние всей машины, т, е. прекращение ее эксплуатации, определяется экономическими факторами — ее моральным износом или затратами, связанными с физическим износом машины.
Моральный износ машины вызывается тем, что ее потребительная стоимость становится ниже допустимого для данной отрасли промышленности уровня. Замена устаревших машин новыми осуществляется в социалистических условиях планомерно, с учетом экономических факторов и перспектив развития данной отрасли.
Физический износ машины приводит к возрастанию затрат, связанных с ненадежностью выше допустимых значений, и
23
обусловливает целесообразную продолжительность эксплуатации машины (см. рис. 1).
Для некоторых машин может иметь место критическая длительность эксплуатации, начиная с которой при эксплуатации изделия будут резко возрастать затраты на ремонт из-за износа наиболее дорогих узлов машины или опасности ее дальнейшей эксплуатации.
Для оценки долговечности сложного изделия применяют две категории показателей. Во-первых, это показатели, характеризующие выход за допустимые пределы основных технических характеристик (выходных параметров) изделия в целом. Это относится прежде всего к показателям, характеризующим точность функционирования, мощность, скорость, КПД и т. п. всего изделия. В этом случае основным показателем долговечности будет ресурс (или срок службы), связанный с выходом за допустимые пределы основных технических характеристик изделия и наступлением предельного состояния изделия, при котором дальнейшая его эксплуатация должна быть прекращена.
Во-вторых, долговечность всей машины должна характеризовать ее способность выполнять свои рабочие функции с минимальными затратами на замену износившихся деталей, наладку, ремонт и обслуживание. Чем меньше суммарные затраты времени и средств, идущих на восстановление работоспособности машины в течение всего периода ее эксплуатации, тем она долговечнее.
Показателем, определяющим долговечность машины, может служить коэффициент технического использования /Сти, который равен
к„ =--------,	(6)
раб + У*| Т’рем I 1=1
где Траб— время работы машины за некоторый период эксплуатации; £Трем — суммарная продолжительность ремонтов машины за этот же период эксплуатации.
Коэффициент технического использования является безразмерной величиной (0 < Л™ < 1). Он численно равен вероятности того, что в данный, произвольно взятый момент времени машина работает, а не ремонтируется.
Коэффициент технического использования, взятый за период между плановыми ремонтами и техническим обслуживанием, называется коэффициентом готовности Л^.
Коэффициент готовности КГ оценивает непредусмотренные остановки машины, наличие которых свидетельствует о том, что плановые ремонты и мероприятия по техническому обслуживанию не полностью выполняют свою роль. КГ численно равен ве-24
роятности того, что изделие будет работоспособно в произвольно взятый момент времени в промежутках между плановыми ремонтно-профилактическими мероприятиями.
Следует подчеркнуть, что коэффициент технического исполы зования /Сти часто не является полноценной характеристикой, если рассматривается ограниченный промежуток времени, так как малые затраты на ремонт за это время еще не означают малых суммарных затрат за весь период эксплуатации. Возможен вариант, когда недостаточное внимание к профилактическим ремонтам и техническому обслуживанию в процессе эксплуатации машины (т. е. незначительные затраты на ремонт за рассматриваемый период) приведут к повышенным затратам времени и средств при последующих ремонтах, так как будет иметь место более интенсивный износ машины.
Поэтому более целесообразно брать весь период эксплуатации машины или как минимум до ее капитального ремонта. Поэтому в качестве основного показателя долговечности изделия следует применять коэффициент долговечности который равен коэффициенту технического использования, взятому за весь период эксплуатации.
Время, которое затрачивается на ремонт и техническое обслуживание, зависит не только от методов эксплуатации и технологии ремонта, но и от конструкции изделия, его пригодности для ремонта и обслуживания.
Ремонтопригодность — это свойство изделия, которое заключается в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Ремонтопригодность определяет затраты времени 2^рем 1см. формулу (6)] и является составной частью долговечности.
Для определения коэффициента долговечности /Сд необходимо установить его зависимость от сроков службы элементов изделия.
Время простоя из-за ремонта данной i-й детали или узла машины будет
Т . граб -
1 рем/ ,pi
где Ti — срок службы (наработка) до отказа i-й детали (узла) машины; Т/ — продолжительность (трудоемкость) ремонта i-й детали машины (узла), включая разборку, сборку и выверку.
Отношение Траб/Т/ показывает, сколько раз в течение периода, равного Траб, ремонтировалась данная деталь. Для определения /Сд необходимо брать тот период времени Траб, когда имеют место все виды отказов, т» е, больше, чем срок службы Tt любой детали машины.
25
Подставляя значение Тр&л{ в формулу (6), получим коэффициент долговечности, выраженный через сроки службы и трудоемкость ремонта деталей машины:
к,-—I—	m
1
При периодических ремонтах, когда одновременно ремонтируется группа деталей, под 7\ понимается время до очередного ремонта и под — его трудоемкость.
Из формулы (7) следует, что основным методом повышения долговечности машины является сокращение времени, затрачиваемого на ремонт, и повышение срока службы ее деталей.
Как видно из формулы (7), коэффициент /Сд зависит от суммы, которая называется относительными ремонтными потерями'.
г = ^- + тг+••+-£-= S-T7-	(8)
Относительные ремонтные потери z могут применяться в качестве самостоятельного критерия, заменяющего Лд при оценке долговечности изделия.
Из формул (7) и (8) видно, что подсчет этих характеристик у т
по средним значениям всех сроков службы Тср = - п 1  и трудоемкостей ремонта тср = как это часто делают, дает невер-
„	тср VT XI
ныи результат, так как у—=£ } , Говоря о показателях долговечности обычно считают, что ими может быть ресурс (или срок службы) Тк до капитального или другого вида ремонта, а коэффициент технического использования (или коэффициент долговечности) характеризует потери времени, идущего на ремонт за этот период.
Такой подход верен лишь отчасти. В действительности длительность ремонтного цикла (время до капитального ремонта) не является заранее заданной величиной и, в свою очередь, зависит от ремонтных потерь. Здесь имеет место типичная задача по выбору оптимального значения Тк, исходя из минимизации г.
К этому следует добавить, что значение самих ремонтных затрат (показатели 7СД или z) еще не говорит о достаточной безотказности изделия. Этим критерием может служить вероятность безотказной работы Р (t) или коэффициент готовности /СР после соответствующего планового ремонта.
Резюмируя сказанное, можно отметить, что ресурс или срок службы сложного изделия должен назначаться как из условия 26
его безотказности, так и учитывать затраты времени и средств, необходимые для восстановления утраченной работоспособности.
Так, например, ресурс до капитального ремонта автомобиля назначается исходя из вероятности его безотказной работы по техническим характеристикам, из условия безопасности движения и с учетом суммарных затрат, необходимых для восстановления его работоспособности.
4.	Экономические показатели надежности. Экономические показатели при оценке надежности весьма важны, так как повышение безотказности и долговечности машин, с одной стороны, связано *с дополнительными материальными затратами, а с другой — с повышением эффективности капитальных вложений, уменьшением затрат общественного труда на ремонт и обслуживание техники, с устранением потерь от простоя машин в ремонте (см. рис. 1).
Показателем надежности с экономической точки зрения может служить сумма затрат, связанных с изготовлением и эксплуатацией машины, отнесенная к длительности ее эксплуатации
К3 =	,	(9)
где Кэ — экономический показатель надежности, руб./ч; — стоимость изготовления новой машины, руб.; Q3 суммарные затраты на эксплуатацию, ремонт и обслуживание машины, руб.; Тэ — период эксплуатации машины, ч.
Следует стремиться к минимальному значению этого показателя за счет рационального распределения капиталовложений между сферой производства и сферой эксплуатации.
При прочих равных условиях, чем дешевле изделие, тем больше затрат приходится на его эксплуатацию.
Соотношение между стоимостью изготовления и эксплуатацией машины характеризуется коэффициентом эксплуатационных издержек
Более высокая надежность достигается за счет дополнительных затрат. В связи с этим часто пользуются понятием цены надежности QH. Общие затраты на изготовление изделия складываются из постоянных затрат Qn, не зависящих от требований надежности, и QH — переменной составляющей затрат, обусловленных требованиями надежности
QH = Qn + QH*	х	(И)
Для прогнозирования затрат на повышение надежности в ряде случаев применяют метод сравнения с прототипом на основании общих эмпирических зависимостей, полученных в результате
27
Рис. 4. Влияние требований безотказности на затраты при изготовлении QH и эксплуатации Qa парка вагонеток ВД-4 угольной шахты
обработки опытных данных о цене надежности. Во многих случаях зависимость для цены надежности имеет степенной характер:
Q. = QBo ,	(12)
где QH0 — цена надежности аналога или прототипа; То — наработка службы) прототипа; Т — наработка
на отказ проектируемого изделия; а—эмпирический показатель, характеризующий уровень прогрессивности производства с точки зрения возможностей заданного повышения надежности изделия. Обычно а находится в пределах 0,5—1,5.
При установлении оптимального, с экономических позиций, уровня надежности изделия следует иметь в виду^ что требования безотказности двояким образом связаны с затратами на изготовление и эксплуатацию изделия. При более высоких требованиях к безотказности работы изделия необходимы повышенные затраты на его изготовление (QJ, но зато при эксплуатации значение затрат Q3 снижается. Поэтому, если выразить суммарные затраты на изготовление и эксплуатацию машины (QK + Q$) в функции вероятности безотказной работы Р (/) в течение периода рациональной эксплуатации t = T9t то минимум этой функции определит экономически оптимальный уровень безотказности изделия.
В качестве примера на рис. 4 приведены затраты на изготовление и эксплуатацию вагонеток ВД-4 для угольных шахт в зависимости от вероятности обеспечения грузопотока Р (/) [36]. При изменении требований безотказности Р (t) от 0,53 до 0,95 затраты на парк вагонеток одной шахты возрастают соответственно от 38 до 180 тыс. руб., а эксплуатационные затраты Q9 снижаются с 212 до 30 тыс. руб. при эксплуатации в течение 3 лет. В результате оптимальный уровень надежности в данном случае соответствует Р (/) = 0,75 (см. рис. 4). При большем влиянии безотказности на эксплуатационные затраты оптимальное значение Р (0 будет сдвигаться в сторону более высоких значений. Поэтому во многих случаях с экономической точки зрения выгодно делать более надежное изделие даже в том случае, если к нему не предъявляются высокие требования безотказности по условиям
эксплуатации,
5. Классификация машин по надежности^ Классификация машин по надежности может быть произведена с двух точек зрения,
28
Во-первых, по тем последствиям, к которым может привести отказ (табл. 3), и во-вторых, по тем причинам, которые приводят к необходимости восстанавливать утраченную в процессе эксплуатации работоспособность.
Таким образом, классификация касается двух основных составляющих надежности — безотказности и долговечности.
Безотказность машины определяется работой наиболее ответственных узлов и систем, так как в любой машине есть узлы, выход из строя которых не приводит к указанным недопустимым последствиям. Например, во время полета самолета отказал один из его узлов. Если это шасси, то последствия будут катастрофические, если снизится КПД двигателя — то экономический ущерб, если испортилось кресло пассажира, то практически отрицательных последствий не будет. Значение вероятности безотказной работы оценивается за тот период, который характерен для данного типа машин.
При классификации машин по долговечности (табл. 4) указываются в первую очередь причины, связанные с выходными параметрами машины, приводящие к необходимости направлять машину в плановый ремонт (текущий или капитальный).
Именно потеря основных показателей качества машины определяет как ее ресурс до капитального ремонта, так и затраты времени и средств, необходимых для восстановления работоспособности машины.
Таблица 3 Классификация машин по последствиям отказа
, Последствия отказа		Допустимая вероятность безотказной работы	Тип машины
Катастрофические	Авария Катастрофа Невыполнение ответственного задания	р (0 -> 1	Летательные аппараты Подъемно-транспортные машины Военная техника Машины химического производства Медицинское оборудование
Экономический ущерб	Повышенные простои в ремонте Работа на пониженных режимах Работа с ухудшенными параметрами	Значительный ущерб Р (0 > 0,99 Незначительный ущерб Р (t) > 0,9	Технологическое оборудование Сельскохозяйственные Бытовые
Без последствий (затраты на ремонт в пределах нормы)		Р (/) < 0,9	Отдельные узлы и элементы машин
29
Таблица 4
Классификация машин по долговечности
Категория машины	Назначение	Тип машины	Основные параметры, определяющие работоспособность машины
Технологические	Изменение формы и свойств объекта труда	Станки, прессы, сварочные машины, текстильные, пищевые, полиграфические, сельскохозяйственные, дорожно-строительные	Качество продукции, производительность
Химико-технологические	Получение новых материалов	Машины химических отраслей промышленности, металлургические комплексы	Качество продукции, производительность, безопасность
Транспортные	Перемещение объекта	Автомобили, самолеты, железнодорожный и водный транспорт, подъемно-транспортные машины	Скорость, безопасность, грузоподъемность
Энергетические	Преобразование одного вида энергии в другой	Электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, турбины	КПД, мощность
Контрольноизмерительные	Контроль параметров объекта	Измерительные приборы и машины, сортировочные автоматы, испытательные машины	Точность измерений
Счетнорешающие	Решение математических задач	Электронно-вычислительные цифровые и аналоговые машины	Правильность решений
Военные	Поражение объекта	Орудия, ракеты, танки, военная авиация	Выполнение боевого задания
Медицинские	Восстановление здоровья человека	Искусственные органы (почки, сердце). Хирургические агрегаты	Точность функционирования, безотказность
30
Обычно главные выходные параметры всей машины, характеризующие ее эффективность — точность функционирования, КПД, производительность и др. — обеспечиваются работоспособностью многих узлов и механизмов машины. Поэтому восстановление основных характеристик машины требует существенных ремонтных затрат, величина которых является, как правило, критерием для назначения ресурса до планового текущего или капитального ремонта.
При назначении показателей для оценки надежности машины и при решении разнообразных вопросов по повышению ее безотказности общий методологический подход должен сочетаться с учетом специфических особенностей конструкции машины и методов ее эксплуатации.
3. Причины потери машиной работоспособности 1. Источники и причины изменения начальных параметров машины. Те изменения, которые происходят с течением времени в любой машине и приводят к потере ее работоспособности, связаны с внешними и внутренними воздействиями, которым она подвергается. В процессе эксплуатации на машину действуют все виды энергии, что может привести к изменению параметров отдельных элементов, механизмов и машины в целом. При этом имеется три основных источника воздействий:
действие энергии окружающей среды, включая человека, исполняющего функции оператора или ремонтника;
внутренние источники энергии, связанные как с рабочими процессами, протекающими в машине, так и с работой отдельных механизмов машины;
потенциальная энергия, которая накоплена в материалах и деталях машины в процессе их изготовления (внутренние напряжения в отливке, монтажные напряжения).
При работе машины наблюдаются следующие основные виды энергии, влияющие на ее работоспособность.
Механическая энергия, которая не только передается по всем звеньям машин в процессе работы, но и воздействует на нее в виде статических или динамических нагрузок от взаимодействия с внешней средой.
Силы, возникающие в машине, определяются характером рабочего процесса, инерцией перемещающихся частей трением в кинематических парах. Эти силы являются случайными функциями времени. Природа их возникновения, как правило, связана со сложными физическими явлениями.
Механическая энергия в машине может возникнуть и как следствие тех затрат энергии, которые имели место при изготовлении частей машины и сохранились в них в потенциальной форме. Например, деформация частей при перераспределении внутренних напряжений, изменение объема детали после ее термической обработки происходят без всяких внешних воздействий,
31
Тепловая энергия действует на машину и ее части при колебаниях температуры окружающей среды, при осуществлении рабочего процесса (особенно сильные тепловые воздействия имеют место при работе двигателей и ряда технологических машин), при работе приводных механизмов, электротехнических и гидравлических устройств.
Химическая энергия также оказывает влияние на работу машины. Даже воздух, который содержит влагу и агрессивные составляющие, может вызвать коррозию отдельных узлов машины. Если же машина работает в условиях агрессивных сред (оборудование химической промышленности, суда, многие машины текстильной промышленности и др.), то химические воздействия вызывают процессы, приводящие к разрушению отдельных элементов и узлов машины.
Ядерная (атомная) энергия, выделяющаяся в процессе превращения атомных ядер, может воздействовать на материалы (особенно в космосе), изменяя их свойства.
Электромагнитная энергия в виде радиоволн (электромагнитных колебаний) пронизывает все пространство вокруг машины и может оказать влияние на работу электронной аппаратуры.
Биологические факторы также могут влиять на работоспособность машины. Например, в тропических странах имеются микроорганизмы, которые не только разрушают некоторые виды пластмасс, но даже могут воздействовать на металл.
Таким образом, все виды энергии действуют на машину и ее механизмы, вызывают в ней целый ряд нежелательных процессов, создают условия для ухудшения ее технических характеристик.
2.	Процессы, снижающие работоспособность изделия. Различные виды энергии, действуя на машину, вызывают в ее узлах и деталях процессы, снижающие начальные параметры изделия. Эти процессы связаны, как правило, со сложными физико-химическими явлениями и приводят к деформации, износу, поломке, коррозии и другим видам повреждений (см. гл. 2).
Это, в свою очередь, влечет за собой изменение выходных параметров изделия, что может привести к отказу.
Эти взаимосвязи упрощенно можно выразить следующей схемой:
Энергия, действующая на машину
Процесс изменения свойств или состояния материала
Повреждение материала изделия
Изменение выходного параметра изделия
Отказ
Следует подчеркнуть, что процессы, приводящие к изменению начальных свойств изделия, протекают в материалах, из которых создано изделие, включая не только детали машины, но и смазку, топливо и все то, что участвует в рабочем процессе машины. 32
Приведем примеры данных взаимосвязей. Механическая энергия, действующая в звеньях металлорежущего станка, приводит к возникновению процесса износа его звеньев. Это вызывает искажение начальной формы сопряжений (т. е. их повреждение), что приводит к потере станком точности, которая является основным выходным параметром станка. При достижении определенной погрешности обработки возникает отказ.
Химическая энергия вызывает процессы коррозии в резервуарах и трубопроводах агрегатов химической промышленности. Повреждение стенок резервуаров может привести вначале к ухудшению выходных параметров агрегата (загрязнение химических веществ, изменение пропускных сечений трубопроводов), а затем при разрушении стенок к полному выходу из строя изделия.
Сочетание механических воздействий в том числе высокочастотных колебаний, а также влияние температурных и химических факторов на элементы конструкции самолетов приводит к тому, что в них могут возникать усталостные разрушения (трещины). Они снижают несущую способность системы, что при определенной величине повреждения приводит к разрушению элемента конструкции и может закончиться аварией.
Следует иметь в виду, что процесс, возникающий в результате действия того или иного вида энергии, может не сразу привести к повреждению изделия. Часто существует период «накопления воздействий» прежде чем начнется период внешнего проявления процесса, т. е. повреждение изделия. Например, для начала развития усталостной трещины необходимо определенное число циклов переменных напряжений. Типичные кривые протекания процессов во времени рассмотрены ниже (см. также гл. 2, п. 5).
Повреждение материала изделия — это отклонение его контролируемых свойств от начальных, оно связано с выходными параметрами изделия определенной зависимостью (см. гл. ^п. 1). Не всякое повреждение влияет на выходные параметры изделия. Также и определенная степень этого повреждения может не повлиять на показатели работоспособности.
Следует отметить, что в литературе по надежности машин часто пользуются понятием дефекта, т. е. такого состояния изделия, при котором оно не соответствует хотя бы одному из требований технической документации, однако остается работоспособным. При этом дефект рассматривается как возможная причина отказа, Нам представляется, что понятие дефекта следует относить только к результату технологического процесса, а понятие повреждения— к результату воздействий на машину при ее эксплуатации. При этом необходимо рассматривать не только факт возникновения повреждений, но и оценить степень этого повреждения (см. гл. 2, п. 4). При достижении некоторого максимального значения степени повреждения наступает отказ изделия.
2 Проников А. С.	33
Из схемы, приведенной выше, видно, что между воздействием энергии на изделие и возникновением отказа имеет место последовательная цепочка взаимосвязей, которая рассмотрена ниже (см. гл. 1, п. 5).
Следует иметь в виду, что часть процессов, происходящих в машине и влияющих на ее технические характеристики, являются обратимыми. Обратимые процессы временно изменяют параметры деталей, узлов и всей системы в некоторых пределах, без тенденции прогрессивного ухудшения. Наиболее характерный пример таких процессов — упругая деформация узлов и деталей машин.
Необратимые процессы приводят к прогрессивному ухудшению технических характеристик машины с течением времени. Наиболее характерными необратимыми процессами в машинах являются изнашивание, коррозия, усталость, перераспределение внутренних напряжений и коробление деталей с течением времени.
3.	Классификация процессов, действующих на машину по скорости их протекания, Для оценки надежности изделия необходимо оценить скорость протекания процессов, снижающих его работоспособность. Быстропротекающие процессы имеют периодичность изменения, измеряемую обычно долями секунды. Эти процессы заканчиваются в пределах цикла работы машины и вновь возникают при следующем цикле. Сюда относятся вибрации узлов, изменения сил трения в подвижных соединениях, колебания рабочих нагрузок и другие процессы, влияющие на взаимное положение узлов машины в каждый момент времени и искажающие цикл ее работы.
Быстропротекающие процессы возникают в результате сложных физических взаимодействий, которые имеют место при работе машины.
Так, возникновение устойчивых колебаний в металлорежущих станках связано с переменностью сил резания из-за периодического изменения величины сечения среза (когда поверхность резания волнистая), из-за изменения сил трения между сходящей стружкой и инструментом, из-за возникновения и удаления нароста на инструменте и других причин.
Система станка, на которую действуют эти силы, может создавать условия для обратного влияния на параметры резания и поддержания или усиления возникающих колебаний [99],
Процессы средней скорости связаны с периодом непрерывной работы машины. Их длительность измеряется обычно в минутах или часах. Они приводят к монотонному изменению начальных параметров машины. К этой категории относятся как обратимые процессы (изменение температуры самой машины и окружающей среды, изменения влажности среды), так и необратимые (износ режущего инструмента, который протекает во много раз интенсивнее, чем изнашивание деталей и узлов машины).
34
Процессы средней скорости (например, тепловые деформации), как правило, характеризуются случайными величинами и функциями, что связано с многообразием параметров, определяющих протекание данного процесса.
Например, на тепловые поля машины влияют: колебание температуры окружающей среды, колебание коэффициента трения в приводных механизмах (что определяет величину тепловыделения), теплообразование при рабочих процессах и др.
Медленные процессы протекают за время работы машины между периодическими осмотрами или ремонтами. Они длятся дни и месяцы. К таким процессам относятся износ основных механизмов машины, перераспределение внутренних напряжений в деталях, ползучесть металлов, загрязнение поверхностей трения, коррозия, сезонные изменения температуры.
Эти процессы также влияют на точность, мощность, КПД и другие параметры машин, но изменения их происходят очень медленно. Обычные методы борьбы с медленными процессами — ремонт и профилактические мероприятия, которые проводятся через определенные промежутки времени.
Следует подчеркнуть, что медленные процессы как и процессы средней скорости являются случайными функциями. К числу медленных процессов относится износ машин, который приводит к повреждению трущихся поверхностей и, как правило, является причиной большого числа отказов машины. Для создания работоспособной машины необходимо обеспечить высокую износостойкость ее пар трения (см. часть II).
4.	Допустимые и недопустимые виды повреждений деталей и сопряжений. Различные вредные процессы, воздействующие на машину, приводят к повреждению ее деталей, что, в свою очередь, может явиться причиной отказа. Для оценки работоспособности детали необходимо установить характер повреждений, в результате которых она выходит из строя, т. е. возникает отказ.
При работе машины отказ деталей может возникнуть в результате их поломки, деформации, износа или пластической деформации поверхностных слоев, тепловых трещин, коррозии и т. д. (см. гл. 2, п. 3).
Однако не все виды повреждений являются неизбежным следствием работы машины. Некоторые из них возникают из-за неправильного расчета и подбора материала или недопустимых методов эксплуатации.
Виды повреждений деталей машины и соответственно отказы можно разбить на две группы: допустимые (по характеру, а не по величине повреждения), возникающие при нормальных условиях эксплуатации, и недопустимые, которые носят аварийный характер. При этом разрушению или деформации может подвергаться как тело детали, так и ее поверхность, находящаяся во взаимодействии (контакте) с поверхностью сопряженной детали.
2*	35
К допустимым повреждениям относятся коробление (остаточные деформации) детали» в некоторых случаях поломка в результате усталости, некоторые виды износа, усталость поверхностных слоев.
Как правило, недопустимы поломки деталей в результате недостаточной статической, динамической или усталостной прочности, тепловые трещины в результате нагрева детали, в ряде случаев коррозия. Для поверхностей контакта характерны такие недопустимые повреждения, как некоторые виды износа, протекающие с большой интенсивностью (молекулярно-механический износ, приводящий к задирам поверхностей, тепловой износ), выкрашивание частиц с поверхности трения и др. Следует иметь в виду, что разделение повреждений на допустимые и недопустимые зависит не только от характера повреждений, но и от тех требований, которые предъявляются к данному изделию, и от возможностей предотвратить данный процесс. Например, коррозия — допустимый вид повреждения для корпусов морских судов и недопустимый для станин станков.
Все недопустимые повреждения и причины их возникновения должны быть устранены теми или иными методами. Допустимые повреждения, как правило, не могут быть полностью устранены; можно лишь замедлить их проявление, например, путем уменьшения скорости изнашивания.
Повреждения элементов машины могут привести к ее отказам, если степень этих повреждений превзошла допустимый уровень.
Виды повреждений определяют содержание ремонтов машины. Допустимые повреждения деталей устраняются плановыми ремонтами машины. Отказы деталей из-за недопустимых повреждений устраняются в ходе аварийных ремонтов. Ремонт этих деталей не может быть предусмотрен планом, так как возникновение отказа не должно иметь места и является следствием неправильной эксплуатации или некачественного изготовления машин.. Допустимые повреждения вызываются в основном старением материалов, из которых они изготовлены.
'Процессом старения называется необратимое изменение свойств или состояния материала изделия в результате действия различных факторов.
Например, упругая или тепловая деформация изделия, которая может привести к отказу, не является процессом старения, так как при снятии внешних нагрузок (силовых и температурных), вызвавших данную деформацию, изделие приобретает исходные характеристики.
Необратимые процессы — износ, коррозия, усталость, потеря магнитных свойств материала, структурные его изменения, изменение отражательной способности поверхности и другие — приводят к таким повреждениям, которые ухудшают начальные параметры изделия, т, е, происходит его старение.
36
Следует иметь в виду, что и обратимые процессы могут участвовать в старении изделия, если с течением времени изменяется степень отклонения выходных параметров изделия при тех же воздействиях. Например, с течением времени происходит рост амплитуд при вибрации изделия, хотя внешние нагрузки сохраняются прежними.
Изучение процессов старения необходимо для оценки потери работоспособности изделия во времени (см. гл, 2).
5.	О параметрической надежности машин. Ряд процессов в машине может привести к отказам, которые связаны не с выходом из строя отдельных деталей и сопряжений, а с ухудшением характеристик машины и выходом их за допустимые пределы.
Параметры, характеризующие качественные показатели машины, специфичны для данного типа машины и определяются ее функциональным назначением (см, табл. 4).
Например, для металлорежущих станков и другого технологического оборудования основным показателем является точность обработки и качество получаемой продукции, а также производительность данного технологического оборудования. Для двигателей летательных аппаратов основными характеристиками являются мощность, сила тяги, КПД при типовых режимах работы двигателя. Для горнодобывающих, сельскохозяйственных, строительных и других машин наряду с качеством работы основным показателем является их производительность.
Отдельные узлы машины также, как правило, имеют параметры, которые обусловлены функциональным назначением этих узлов и их ролью в данной машине.
Например, печатные аппараты полиграфических машин должны обеспечить точность оттиска — графическую, градационную и точность цветопередачи. Гироскопические приборы летательных аппаратов призваны обеспечивать стабильное положение оси вращения, их прецессия должна находиться в заданных пределах. Зевообразовательный механизм ткацкого станка обеспечивает перемещение нитей на определенную величину для пропуска в заданный момент челнока с уточной нитью; карбюратор автомобильного двигателя — подачу оптимального состава смеси горючего и воздуха на всех режимах работы двигателя, а шпиндель металлорежущего станка — точность вращения по радиальному и осевому биению в заданных пределах и т, д.
В современных машинах надежность их работы определяется в первую очередь изменением выходных параметров под действием различных процессов старения.
В этом случае говорят о параметрической надежности изделий. Параметрическая надежность изделий—основной объект рассмотрения теории и практики, поскольку она определяет состояние отдельных механизмов и машины в целом.
В сложных системах и машинах требования к выходным параметрам устанавливаются как для машины в целом, так и для
' 37
отдельных ее элементов, узлов и агрегатов. При этом значения выходных параметров машины зависят от параметров, характеризующих состояние ее отдельных элементов и узлов, и от роли, которую они играют в обеспечении требуемых показателей качества машины в целом (см. гл. 4). Параметрическую надежность многих сложных машин и комплексов можно рассматривать е позиций теории информации, считая, что начальная информация— входные сигналы, управляющие машиной,— преобразуются в выходные сигналы — параметры, определяющие качество функционирования системы. Каждый элемент или узел машины можно представить как звено преобразования информации, имеющее свою передаточную функцию и ошибки преобразования, которые носят случайный характер и имеют рассеивание. Воздействие на машину различных видов энергии приводит к возникновению процессов старения, которые искажают передаваемую информацию, действуя как помехи. В результате недопустимое искажение передаваемого сигнала адекватно возникновению параметрического отказа машины и вероятность этого события возрастает по мере эксплуатации машины. Следует подчеркнуть, что выход параметров узла за допустимые пределы означает необходимость его ремонта или регулировки, т. е. остановки всей машины. Поэтому параметрический отказ элемента или части машины означает отказ функционирования для всей машины или сложной системы машин,
4.	Классификация отказов
1.	Постепенные (износные) и внезапные отказы. Основным признаком, определяющим различные виды отказов, служит характер возникновения и протекания процессов, приводящих к отказу.
Существуют следующие основные виды отказов (рис. 5).
Постепенные (износные) отказы (рис. 5, а) возникают в результате протекания того или иного процесса старения, ухудшающего начальные параметры изделия.
Основным признаком постепенного отказа является то, что вероятность его возникновения F (t) в течение заданного периода времени от до t2 зависит от длительности предыдущей работы изделия tu Чем больше эксплуатировалось изделие, тем выше вероятность возникновения отказа, т. е. F2 (АО > Pi (А/), если 4 > 4» гДе Р (АО — вероятность отказа за период от / до (t + ДО-
К этому виду относится большинство отказов машины. Они связаны с процессами износа, коррозии, усталости и ползучести материалов.
Внезапные отказы (рис. 5, б) возникают в результате сочетания неблагоприятных факторов и случайных внешних воздействий, превышающих возможности изделия к их восприятию.
Отказ возникает через некоторый промежуток времени Тв, который является случайной величиной.
38
Рис. 5. Схема возникновения основных видов отказов: а — постепенный (износный); б •=- внезапный; в сложный
Основным признаком внезапного отказа является независимость вероятности его возникновения F (t) в течение заданного периода времени от до t2 от длительности предыдущей работы изделия
Примерами таких отказов могут служить тепловые трещины, возникшие в детали вследствие прекращения подачи смазки, поломки детали из-за неправильной эксплуатации машины или возникновения перегрузок, деформация или поломка деталей, попавших в такие условия работы, когда каждый параметр принимает экстремальное значение (наибольшие нагрузки, минимальная твердость материала, повышенная температура и т. п.).
Выход из строя при этом происходит, как правило, внезапно, без предшествующих симптомов разрушения.
Например, причиной отказа автомобильной покрышки может быть как ее износ в результате длительной эксплуатации, так и прокол.
Вероятность отказа покрышки из-за износа протектора у старой покрышки во много раз больше, чем у новой. В противоположность этому прокол — внезапный отказ — не связан с длительностью работы покрышки до данного события. Вероятность его возникновения зависит от состояния дороги и одинакова как для новых покрышек, так и для находившихся в эксплуатации*
Иногда существует мнение «... что появлению внезапных отказов обычно также предшествуют скрытые изменения свойств Деталей или компонентов, которые не всегда удается обнаружить. Поэтому разделение на внезапные и постепенные отказы носит условный характер» [186].
С этим нельзя согласиться, так как деление на постепенные и внезапные отказы определяется природой их возникновения, а не тем, установлена или нет причина отказа. Внезапность отказа при эксплуатации машины в результате скрытности процесса разрушения еще не означает, что отказ относится к кате-гории внезапных,
39
Рис. 6. Возникновение задиров на трущихся поверхностях 1 и 2: из-за попадания абразива 3 или проявления дефекта отливки 4
Критерием здесь будет служить наличие или отсутствие зависимости F (/) от времени предыдущей работы изделйя.
В качестве примера на рис. 6 показана пара трения 1—2, где
нарушение работоспособности сопряжения происходит в резуль-
тате задира поверхностей трения, что является следствием двух
причин.
Во-первых, повреждение поверхности может произойти из-за попадания извне абразивной частицы 3 и, во-вторых, — из-за проявления скрытого дефекта отливки — раковины 4, которая может оказаться на поверхности трения по мере износа направляющей.
Оба отказа проявляются примерно одинаково, однако их природа, и соответственно методы повышения надежности, совершенно различны.
В первом случае будет иметь место внезапный отказ, так как вероятность попадания абразивной частицы зависит от внешних факторов, а не от длительности работы машины. Повышение безотказности в этом случае связано с улучшением методов эксплуатации и защиты поверхности трения от загрязнения.
Во втором случае будет иметь место постепенный отказ, так как его появление связано с Процессом износа поверхности и с качеством самого материала. Чем дольше работает сопряжение и больше изнашивается направляющая, тем выше вероятность появления на поверхности скрытого дефекта.	"
При возникновении данного отказа он также воспринимается при эксплуатации изделия как внезапный, так как никаких предварительных симптомов выхода изделия из строя не было. На самом деле этот отказ уже определен технологией, которая допускает вероятность (пусть небольшую) появления дефекта в детали. На вероятность возникновения этого отказа не влияет улучшение методов эксплуатации изделия. Для предотвращения задиров от дефектов изделия надо улучшить технологию отливки, из которой выполнены детали 1 и 2.
Наступление любого отказа зависит от скорости процесса dU
повреждения у = где U — степень повреждения, и от времени начала возникновения этого процесса Т3 (см. рис. 5).
Для постепенного отказа Тв = 0, т. е. при эксплуатации изделия, процесс начинается сразу, даже если он вначале практически не проявляется, а скорость процесса является функцией времени у (О*
40
Для внезапного отказа время возникновения его Тв является случайной величиной и подчиняется некоторому закону распределения f (Т3), не зависящему от состояния изделия. Процесс протекает весьма быстро (у —> оо) и поэтому функция f (Тв) определяет вероятность безотказной работы. Может быть и третий вид отказов, который включает особенности двух предыдущих (см. рис. 5, в), который будем называть сложным отказом. Здесь время возникновения отказа — случайная величина, не зависящая от состояния изделия, а скорость процесса потери работоспособности изделия у (0 зависит от его сопротивляемости.
Например, внешние недопустимые ударные воздействия на машину (редкое случайное событие) могут явиться источником возникновения усталостной трещины из-за концентрации напряжений. Постепенное развитие трещины будет происходить по мере дальнейшей эксплуатации машины.
2.	Отказы функционирования и параметрические отказы. Последствия отказов весьма разнообразны. Их можно разделить на параметрические и отказы функционирования.
Отказ функционирования приводит к тому, что изделие не может выполнять своих функций. Например, в результате отказа редуктор не вращается и не передает движения, двигатель внутреннего сгорания не запускается, насос не подает масла и т. п. Часто отказ функционирования связан с поломками или заклиниванием отдельных элементов изделия.
Параметрический отказ приводит к выходу параметров (характеристик) изделия за допустимые пределы. Такие отказы, как нарушение точности обработки на станке, падение КПД передачи, снижение максимальной скорости движения автомобиля ниже нормы и другие не ограничивают возможность дальнейшего функционирования изделия. Однако оно становится неработоспособным с точки зрения требований, установленных техническими нормативами.
Для современных машин и изделий наиболее характерны параметрические отказы. Это связано с высокими требованиями к выходным параметрам современных машин. Эксплуатация изделия, имеющего параметрический отказ, может привести к весьма тяжелым экономическим и иным последствиям. Например, к выпуску некачественной продукции, которая может быть причиной отказов в сфере ее эксплуатации, к невыполнению изделием возложенных функций, к большим дополнительным затратам времени и средств.
В сложных машинах и системах параметрические отказы элементов могут привести к отказу функционирования. Например, в многозвенном механизме, последнее звено которого совершает небольшое перемещение, в результате износа кинематических вар возможен случай, когда наличие зазоров приведет к тому, что ведомое звено вообще не будет перемещаться.
41
Потеря мощности авиационного двигателя может привести к невозможности полета самолета, рост утечек в элементах гидросистемы управления ведет к падению давления, что может вызвать несрабатывание золотника, дающего команду на включение агрегата и т. д.
Поэтому параметрические отказы являются одним из основных объектов рассмотрения в теории надежности машин.
Следует подчеркнуть, что отказы функционирования и параметрические отказы могут быть как постепенными, так и внезапными.
Например, внезапный отказ измерительного прибора из-за недопустимых внешних воздействий будет параметрическим — если потеряна его точность из-за нагрева от внешних источников тепла и отказом функционирования — если произошло заклинивание его механизмов из-за запыления атмосферы.
3.	Фактические и потенциальные отказы. При эксплуатации любого изделия может наступить его первый, а затем и последующие отказы. Если эти отказы предотвращаются заблаговременным выполнением ремонта и регулировок, то критерием близости отказа является степень повреждения изделия, а отказ воспринимается как потенциально возможное событие. Такие отказы будем называть потенциальными.
В инструкциях по сбору и обработке информации о надежности различных машин при их эксплуатации, как правило, указывается, что восстановление работоспособности отдельных деталей, сопряжений и узлов, выполняемое в соответствии с правилами технического ухода и ремонта, не является отказом. Лишь та потеря работоспособности изделия, при которой требуется внеочередное вмешательство ремонтной службы, квалифицируется как отказ.
Такой подход приводит к неверному суждению о надежности машины, так как не учитываются потенциальные отказы.
Для изготовителей и эксплуатационников характерно постоянное стремление к недопущению отказов при работе машины. Это достигается правильной организацией системы ремонта и технического обслуживания, применением обоснованной системы управления качеством и надежностью при производстве изделий и строгого выполнения правил эксплуатации и ремонта. В результате изделие может вообще не иметь отказов при эксплуатации, тем не менее уровень его надежности не будет удовлетворять разработчиков и потребителей.
Поэтому, когда речь идет об отказах изделия, этой основной категории теории надежности, то имеются в виду в основном потенциально возможные, а не только фактические отказы.
4.	Допустимые и недопустимые отказы. В соответствии с разделением повреждений на допустимые и недопустимые (см. гл. 1, п. 3) аналогичное понятие следует применять и к отказам.
42
Допустимые отказы связаны с процессами старения, которые приводят к постепенному ухудшению выходных параметров изделия. Сюда же следует отнести внезапные отказы, которые вызваны неблагоприятным сочетанием факторов, если последние находятся в пределах, указанных в ТУ на эксплуатацию. Иногда конструктор сознательно допускает некоторую (как правило, небольшую) вероятность возникновения отказа, чтобы облегчить и удешевить конструкцию. Это, конечно, допустимо лишь в тех случаях, когда отказ не вызовет катастрофических последствий. Например, даже в самолетных конструкциях допускается развитие усталостных трещин в некоторых элементах и панелях крыльев.
Недопустимые отказы связаны с нарушением следующих условий производства и эксплуатации:
нарушения технических условий при изготовлении и сборке изделий (см. гл. 10);
нарушения правил и условий эксплуатации и ремонта — превышение режимов работы машины выше допустимых, нарушение правил ремонта, ошибки людей управляющих машиной и т. п. —• скрытые причины, неучтенные в технических условиях и нормативах параметры. Изделие может быть выполнено в строгом соответствии с техническими условиями (ТУ), однако сами ТУ не учитывают всех тех объективно существующих факторов, которые влияют на надежность и проявляются в процессе эксплуатации.
5.	Допустимая вероятность безотказной работы, как мера для оценки последствий отказа. Стремление к недопущению отказа при эксплуатации машины связано с боязнью последствий отказа, которые, как было сказано выше, могут быть самыми разнообразными — от незначительного материального ущерба до катастрофических. Эти последствия связаны с характером самого отказа (что и где отказало) и с такими факторами как время, необходимое для устранения отказа, возможность ремонта, продолжительность существования отказа (возможность самовосстановления работоспособности изделия), влияние данного отказа на вероятность возникновения других более опасных отказов и т. д.
В соответствии с этим часто применяются различные классификации отказов, где они делятся на полные и частичные, устойчивые (окончательные) и перемежающиеся, зависимые и независимые и т. д.
Такое разделение нельзя признать целесообразным, так как, во-первых, никакие градации не исчерпают всего того разнообразия и характерных особенностей, связанных с последствиями отказов, которые имеют место на практике. Во-вторых, отказ —• это вполне определенное событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия и этому понятию противоречат такие определения, как частичный (неполный) отказ или перемежающийся отказ.
Все особенности отказа и его последствий достаточно характеризовать допустимой вероятностью безотказной работы,
43
которая аккумулирует, в себе и численно оценивает опасность последствий отказа. Так, если отказ существует непродолжительное время и самовосстанавливается и за это время не произойдет необратимых нарушений работы машины, то будет допускаться более низкая вероятность безотказной работы, чем при «полном» отказе и более опасных последствиях. При оценке надежности сложных изделий не только машина в целом, но и отдельные ее узлы и детали должны характеризоваться допустимой ве.роят-ностью безотказной работы. Для различных машин и изделий применяются категории отказов, отражающие их специфику и оценивающие опасность отказа.
Для каждой категории устанавливается свое значение допустимой вероятности безотказной работы Р (t) (см. гл. 4, п. 3).
Для выявления наиболее опасных категорий отказов в ряде случаев применяются специальные методы анализа и учета возникающих отказов. Особенно важно оценивать параметрические отказы, так как здесь возможен широкий диапазон последствий — от незначительного влияния отказа на работоспособность изделия до катастрофических последствий.
Для выявления параметрических отказов, снижающих работоспособность сложного изделия, например ракеты, применяют автоматические методы контроля работоспособности, когда анализ состояния системы ведется на основе алгоритма, оценивающего характер сигнала об отказе и выбирают лишь те категории отказов, которые связаны с основными параметрами изделия.
При получении сигнала об отказе вначале необходимо его подтверждение, в связи с возможной ошибкой оператора или неисправностью испытательного оборудования. Затем надо учитывать, что это не результат выхода из строя (поломки) какого-либо вспомогательного элемента, а ухудшение параметров системы. Следует также учитывать возможности компенсирующих и корректирующих устройств, которые могут устранить влияние отказа на работоспособность изделия (за счет включения резерва, коррекции или автоматической регулировки).
Тщательный анализ и выявление всех основных видов отказов — предпосылка для успешного решения задач, связанных с повышением надежности изделия.
5.	Математическая модель надежности изделия
1.	Представление о состоянии изделия, как о траектории случайного процесса в фазовом пространстве. Для анализа различных вариантов потери машиной или отдельной системой работоспособности целесообразно вначале представить данный процесс в общем виде, как некоторую абстрагированную математическую модель.
Каждое изделие- характеризуется некоторыми выходными параметрами (параметрами функционирования) Xf, Х2; ...; Х„, 44
Рис. 7. Изменение биения е и положения оси <р вала при износе его подшипников
которые определяют его состояние и являются случайными функциями времени X (0- Поэтому работоспособность системы, как общая характеристика ее состояния, также изменяется во времени.
Если воспользоваться понятиями теории множеств, то можно рассма-
тривать область работоспособности изделия, как такое множество G состояний, определяемых значениями параметров Xh при котором отказа не происходит.
Принадлежность данного состояния X (0 множеству G, т. е. X (t)£G будет означать, что изделие работоспособно. Если любое значение Xt вышло за границу данного множества, то произошел отказ изделия, оно стало неработоспособным.
Если состояние изделия характеризуется несколькими выходными параметрами и будет происходить процесс изменения всех п параметров, то множество G связано с п-мерным, так называемым фазовым пространством.
Процесс потери машиной работоспособности может быть представлен в виде траектории случайной функции X (0 в и-мерном фазовом пространстве.
__ Фазовая траектория может быть описана вектор-функцией X (0 с составляющими по осям координат Хх (0; Х2 (0; А"п (0 и начальными координатами системы (в момент времени t = 0) ^01; Хо2, • ♦ • > хОга.
Границы множества G определяются предельно допустимыми значениями параметров XJmax; X2max; .... Xrtmax.
В качестве примера на рис. 7 показаны две реализации процесса потери работоспособности узла «вал—опоры» при износе подшипников, когда предъявляются требования к точности вращения вала по двум основным параметрам Х1 = е—радиальное биение вала (эксцентриситет вращения) и Х2 = ср—угол наклона оси вала.
Начальное состояние изделия характеризуется значениями е0 11 Фо и зависит от технологии изготовления и монтажа вала и его опор и определяется соответствующими допусками. Предельное состояние (отказ) наступит, если любой из параметров превзойдет допустимое значение £тах илифтах, указанное в технических усло-Еиях на эксплуатацию.
45
При износе подшипников изменяются как е, так и ф, причем в зависимости от величины и характера внешних нагрузок (равномерность усилий на передний и задний подшипники), условий эксплуатации (смазка и загрязнение опор) и других факторов траектории X (/) в данном двумерном пространстве (плоскости) будут иметь различный вид.
Реализация I характерна для случая, когда износ переднего и заднего подшипника более равномерен и поэтому угол наклона оси вала ф изменяется незначительно, а основную роль в потере работоспособности играет радиальное биение вала е.
Реализация II имеет место при неравномерном износе подшипников, когда работоспособность данного узла трения лимитирует значение фтах,
На траекториях отмечены точки через равные промежутки времени, показывающие, что процесс потери работоспособности для реализации II идет быстрее. При t — /4 и t ~ /5 в первом случае изделие остается работоспособным, а во втором происходит отказ, при t = /4 по одному параметру, а при t = /6— по двум. Рассматривая модель надежности изделия, как эволюцию системы во времени в фазовом пространстве акад. Б. В. Гнеденко [43 ] для оценки в общем виде показателей надежности использует понятие функционала Ф.
Считается, что функционал Ф определен на процессе, если каждой траектории X (/) ставится в соответствие некоторое число Ф [X (/)). Это число характеризует роль данной трактории (реализации) в потере изделием работоспособности. Тот или иной показатель надежности ф определяется как математическое ожидание этого функционала, т. е.
Ф= М [Ф[Х (/)]},	(13)
Так, если функционал Ф равен длительности работы изделия до попадания в область отказов G0T, то Ф = Т случайная величина, равная сроку службы данного изделия, а математическое ожидание Ф будет представлять собой среднее время безотказной работы изделия <р = Тср.
Если же функционал Ф принимать равным единице при нахождении траектории процесса ,в области G и равным нулю, при попадании в область отказов G0T, то математическое ожидание данного функционала будет равно вероятности безотказной работы Р (Z) в интервале [0; И, т. е, ф = Р (/)• Возможны и другие подходы к определению в общем виде показателей надежности через функционал случайного процесса [43].
2.	Анализ области работоспособности изделия. Рассмотрим область работоспособности изделия в представлениях я-мерного фазового пространства (рис. 8). Границы области G зависят от требований к изделию. Более высокие требования к его выходным параметрам сужают область работоспособности, 46
все время возрастают, осо-
Рис. 8. Области работоспособности и состояний изделия
Для одного и того же изделия в зависимости от характера выполняемой работы могут предъявляться различные требования к точности его функционирования. Например, технические условия на параметры точности прецизионного металлорежущего станка во много раз строже, чем для станка нормальной точности; требования к суммарному дрейфу гироскопов
бенно при их использовании в космических летательных аппаратах и т. п. На рис. 8 показаны две области работоспособности изделия — для обычных и — для более жестких технических условий на параметры изделия.
Говоря об области работоспособности изделий, следует различать действительную G, которая определяет требуемую работоспособность изделия, и расчетную G', которая диктуется требованиями ТУ к отдельным параметрам. Между этими областями, как правило, имеется большее или меньшее различие, так как при оценке работоспособности сложного изделия во многих случаях трудно точно назначить предельное значение отдельных параметров, определяющих предельное состояние изделия в целом.
Кроме того, часто о предельном состоянии изделия судят по косвенным показателям, функционально связанным с его работоспособностью. Например, эксплуатационные показатели (выходные параметры) автомобильного двигателя — развиваемая мощность, уровень шума и другие — зависят от износа его сопряжений. О техническом состоянии двигателя часто судят по расходу смазки, что дает весьма приблизительную оценку его работоспособности, так как на этот показатель влияют и многие другие факторы. Поэтому оценка предельного состояния двигателя по расходу смазки не сможет точно выявить область его работоспособности и требуется выбор более точных критериев, оценивающих выходные параметры двигателя [1].
Из рис. 8 видно, что между областями действительной и расчетной GJ работоспособностей изделия имеется разница. В зависимости от соотношения их границ может существовать область неиспользованных возможностей А, когда по ТУ изделие считается потерявшим работоспособность, хотя оно еще может правильно функционировать, и область неучтенных параметров В, когда согласно ТУ можно эксплуатировать изделие, которое в Действительности уже стало неработоспособным.
Процесс потери работоспособности характеризуется фазовой траекторией случайного процесса X (t)» Например, для процесса
47
Xt (/) z-го изделия при t = t3 считается, что произошел отказ, согласно требований ТУ, а при t — Z4 изделие действительно потеряло работоспособность. Область, в которой могут с определенной вероятностью находиться реализации процесса X (/), назовем областью состояний. Она определяет возможные состояния изделия, которые оцениваются значениями выходных параметров, т. е. в общем виде вектор-функцией X (t).
Для оценки возможного протекания случайного процесса в целом следует применять соответствующие характеристики случайных функций и в первую очередь математическое ожидание М [X (/) ], которое дает оценку того, как в среднем будет протекать процесс потери изделием работоспособности.
Однако при решении задач^ надежности, как правило, еще большее значение имеет выявление той части области работоспособности Gv, в которую реализации процесса попадают с заданной вероятностью у. Границы этой области на рис. 8 очерчены реализациями Ху и Ху (верхняя и нижняя границы). Например, если у = 0,99, то это означает, что с данной вероятностью все реализации попадают в область Gv и с вероятностью всего в 0,01 они могут проходить через другую часть области G. Такое выделение области Gy целесообразно для оценки показателей надежности при заданной вероятности безотказной работы.
Кроме того, в ряде случаев целесообразно ввести понятие об устойчивости изделия к отказам, что особенно важно при высоких требованиях к надежности.
Совокупность реализаций фазовой траектории случайного процесса X (t) и анализ возможного характера протекания процесса во времени определит область состояний Gt, т. е. такую область в фазовом пространстве, в которую попадают все значения параметров за данный промежуток времени t = Т. Если эта область является частью области работоспособности G, т. е. его подмножеством Gt cz G, то изделие будет устойчиво по отношению к отказам, так как вероятность его возникновения F (t) = — 0. Это условие можно записать так же, как
X(^T)c(?h	(14)
т. е. любые значения параметров Хх; Х2; ...; Х„, определяющие случайный вектор X в пределах периода времени t ~ Т будут принадлежать множеству, которое является подмножеством области работоспособности. Вероятность возникновения отказа наступит лишь после того момента времени, когда условие (14) нарушится и будет возможно пересечение множеств Gt и G. До этого периода времени работа изделия будет протекать в устойчивой зоне по отношению к отказам и запас устойчивости может характеризоваться значением 7СН — запасом надежности (см. гл. 1, п. 2). Поскольку Хн (/). является функцией времени, то большое значение имеет оценка скорости израсходования за-48
паса надежности или периода времени, в течение которого его значение станет /Сн = 1, и области G и Gt будут соприкасаться.
Значение t — Тр, при котором станет К (0 = 1, будет являться ресурсом изделия по данному параметру или по их совокупности. При оценке границы области устойчивости могут быть два подхода — вероятностный, когда она ограничивается наибольшим значением параметра, соответствующего заданной вероятности его появления (область Gv), и физический (область Gz), когда оценивается наибольшее" значение параметра при экстремальных условиях эксплуатации. Если изделие находится в области устойчивости, то гарантируется его безотказная работа. Однако такое состояние достигается, как правило, за счет большого запаса надежности элементов изделия и за счет большой избыточности элементов, что связано со значительными материальными затратами при его производстве.
Представление процесса потери работоспособности изделия в общем виде как траектории в n-мерном фазовом пространстве позволит перейти к более простым частным моделям надежности изделия (см. гл. 3).
3.	О формализации процесса потери работоспособности. Построение математической модели потери машиной работоспособности является весьма сложной и во многих случаях трудноре-шимой задачей.	>
Наличие случайных факторов не позволяет строить полностью детерминированные модели, когда определенная совокупность исходных параметров и действующих факторов однозначно определяет изменение выходных параметров во времени.
Типичным случаем, как указывает Н, П. Бусленко, является возможность «... при помощи математической модели однозначно определять распределения вероятностей для характеристик состояний системы, если заданы распределения вероятностей для начальных условий, параметров системы и возмущений, действующих на ее элементы, а также для входных сигналов» [21 ]. Математическая модель должна быть результатом формализации описания процесса потери машиной работоспособности и учитывать все основные закономерности процесса. При этом учет большого числа действующих факторов ведет к усложнению модели, что не всегда оказывается оправданным.
Формализация и построение математической модели складывается обычно из следующих последовательных этапов [21 ]:
Описание процесса
Формализованная схема процесса
Математическая модель
Описание процесса концентрирует сведения о физической природе протекающих процессов старения, условиях эксплуатации изделия, количественных характеристиках элементарных явле-
49
ний, результатах наблюдений за работоспособностью изделия при эксплуатации и испытаниях.
Формализованная схема процесса <— это промежуточный этап к построению математической модели. Она полностью использует данные экспериментального исследования процесса. В схеме процесса, как правило, графически или в виде таблиц представляются основные зависимости и выясняются все вопросы, связанные с интерполяцией и экстраполяцией экспериментального материала.
Математическая модель представляет собой систему соотношений, связывающих характеристики процесса и исходные показатели изделия с его выходными параметрами.
Х'отя математическая модель и базируется на схеме процесса, здесь происходит дальнейшая формализация явления, и, в общем случае, получаемые результаты не полностью совпадают с экспериментальными данными.
Из-за сложности явлений часто процесс потери работоспособности-расчленяют на несколько элементарных процессов, которые можно описать более простыми математическими зависимостями. При этом всегда должна быть оценена степень достоверности математической модели. Например, часто близка к действительности предпосылка о независимости выходных параметров сложного изделия, благодаря чему можно отдельно рассматривать изменение каждого параметра в процессе эксплуатации машины. Такие модели рассмотрены ниже (см. гл. 3).
4.	Взаимодействие машины со средой, как система автоматического регулирования. Рассматривая процесс потери машиной работоспособности, который выражается в изменении ее выходных параметров во времени, при формализации этого процесса всегда следует учитывать причины, вызывающие эти явления.
Эти причины, как было показано выше (гл. 1, п. 3), связаны с воздействием на машину различных видов энергии, приводящих к возникновению процессов, снижающих начальные параметры изделия..На характер реализаций случайных функций, описывающих траекторию изменения состояния в фазовом пространстве, решающее влияние оказывает физика процессов старения и их взаимодействие с изделием.
При рассмотрении влияния, которое оказывают различные процессы на выходные параметры машины, следует учитывать, что на скорость процесса может влиять и обратная связь, которая существует между состоянием машины и теми процессами, которые в ней протекают. Например, износ отдельных механизмов машины может не только уменьшить точность ее функционирования, но и привести к повышению динамических нагрузок, которые, в свою очередь, интенсифицируют процесс изнашивания элементов машины.
Температурные деформации отдельных звеньев могут не только исказить положение узлов машины и этим повлиять на точность 50
Рис. 9. Взаимодействие машины со средой как система автоматического регулирования
работы, но и привести к повышенным нагрузкам и, как следствие, к повышенному тепловыделению в механизмах.
Известно также, что при возникновении колебаний в машине имеется обратная связь между ее упругой системой и данным рабочим процессом или трением, которые являются источниками колебаний [991.
На основании сказанного можно представить взаимодействие машины с протекающими в ней процессами в виде замкнутой системы автоматического регулирования (рис, 9),
Выходные параметры машины (например, определяющие точность ее функционирования) искажаются в результате действия на машину процессов, имеющих различные скорости. На протекание этих процессов оказывают влияние как внешние воздействия (нагрузки, химическое действие среды, температура), так и внутренние, возникающие в результате изменения состояния самой машины.
Поэтому для анализа изменения состояния сложных систем может быть применен аппарат теории автоматического регулирования. Здесь вместо управляющих воздействий и внешних возмущений будут иметь место силовые, температурные, химические и иные в°здействия на машину,
51
Роль преобразующих звеньев будут играть процессы, протекающие в элементах машины и влияющие на изменение выходных параметров.
Реакцию различных звеньев на внешние возмущения в данном случае можно оценивать переходными характеристиками или передаточными функциями. Как известно, переходная характеристика (или передаточная функция) описывает процесс изменения выходного параметра при действии на входе возмущения вида единичной ступенчатой функции.
В табл. 5 показаны типовые переходные характеристики, применительно к процессам потери машиной и ее элементами работоспособности.
Так кроме обычного применения переходных характеристик для описания статической деформации системы, ее тепловых деформаций и вибраций, интегрирующее звено может описывать
Таблица 5
Переходные процессы при изменении работоспособности изделия
Звено	Переходный процесс	Пример процессов
Безынерционное	XI 1	t	Статическая деформация
Инерционное (апериодическое)	Xi	 К-	1	Тепловые деформации
Колебательное		Вибрации
Интегрирующее идеальное		Износ
Интегрирующее инерционное	Л)	У 	1	Развитие усталостных трещин
Запаздывающее	Л| 1—1	1	Образование нароста
Дифференцирующее инерционное	—t	Изменение шероховатости
52
износ элемента, так как постоянное воздействие на входе (усилие, скорость скольжения в паре) приведет к линейному изменению выходного параметра (износа поверхности трения).
Инерционное интегрирующее звено может описывать развитие усталостных трещин, интенсивность роста которых увеличивается со временем при внешних воздействиях данного уровня.
Звено с запаздыванием может описывать явление нароста, например, при засорении ячеек в сетке фильтра гидросистемы или влияние нагара у автомобильндй свечи на возможность проскакивания искры. Вначале воздействие данного уровня (протекание загрязненной жидкости) не вызывает отказ# данной ячейки фильтра, затем она скачком изменяет свое состояние.
Другие процессы старения также характеризуют реакцию звена на внешние воздействия.
Такой подход позволит наиболее полно дать оценку потери машиной работоспособности во времени, т. е. решить основную задачу надежности. Он позволяет, используя методы теории автоматического регулирования, решать такие вопросы, как оценка устойчивости системы (по отношению к отказам), выбор оптимального варианта и др.
На первой стадии исследований в ряде случаев возможно рассмотрение незамкнутой системы, т. е. оценка влияния данного процесса на выходные параметры без учета обратной связи.
Следует иметь в виду, что изменение выходных параметров сложного изделия — это результат многочисленных изменений в отдельных звеньях системы в разные периоды времени. Поэтому при изучении надежности машины всегда должно сочетаться исследование функциональных связей и физических закономерностей с оценкой стохастических процессов, характеризующих изменение начального состояния изделия.
5.	Блок-схема возникновения отказа. Для решения задач надежности необходимо иметь модель формирования отказа, т. е. представить схему с функциональными и стохастическими связями, которая позволяла бы оценить вероятность возникновения отказа. Однако далеко не все виды воздействий на машину и не все виды повреждений обязательно приведут к отказу. Поэтому рассмотрим представленные в виде блок-схемы отдельные этапы возникновения отказа.
Возникновение отказа — конечный результат ряда последовательных этапов, которые независимо от вида отказа, имеют общие черты.
Представление этих этапов в виде блок-схемы позволит проанализировать природу формирования отказа и создаст предпосылки для разработки программ по расчету надежности систем на ЭВМ.
Обычно для оценки надежности изделий используют статистические данные по отказам без анализа процессов их формиро-ваиия. Такой подход не создает основы для прогнозирования
53
надежности и для вскрытия причин возникновения отказов, так как используются лишь конечные результаты явлений.
Рассмотрим блок-схему возникновения отказа (рис. 10), опираясь на общее представление о протекании в машине различных вредных процессов (процессов старения), которые при определенных условиях могут привести к потере машиной работоспособности.
Как было показано выше, при эксплуатации машины на нее действуют все виды энергии, но для возникновения вредных процессов необходим определенный их уровень. Если этот уровень не превзойден, то предпосылки для возникновения отказа будут устранены в самом зачатке. Если же процесс возник, то он будет изменять начальные свойства или состояние материалов, из которых создано изделие.
Под действием различных видов энергии могут появляться и развиваться во времени такие процессы, как деформация, изнашивание, коррозия и др. (см. гл. 2). Эти процессы могут привести к повреждению изделия. Полученное повреждение моЖет влиять или не влиять на выходные параметры изделия.
Если данное повреждение не влияет на выходной параметр изделия, то отказ не возникнет. Так, изменение шероховатости
Рис. 10. Блок-схема возникновения отказа
54
поверхности турбинной лопатки авиадвигателя, которое происходит в первые часы его работы, хотя и изменяет начальные контролируемые параметры, но, как правило, не влияет на его мощность, КПД и другие характеристики. Поэтому из-за изменения качества поверхности лопаток отказ двигателя не происходит. Или, например, равномерный износ направляющих станка не приведет к потере им точности, так как прямолинейность траектории движения инструмента сохранится. Если же повреждение приводит к изменению выходного параметра изделия, то отказ возникнет лишь в том случае, если этот параметр выйдет за допустимые пределы, установленные техническими условиями на изделие.
Отказ любого изделия (от машины до ее элемента) может быть предотвращен или отсрочен при выполнении следующих условий:
1.	Если уровень воздействий, энергии на изделие не превосходит значений, при которых могут возникнуть вредные процессы, изменяющие начальные свойства или состояние изделия.
Малая энергетическая нагруженность элементов машины — один из главных путей повышения их безотказности, который, однако, связан с повышением стоимости изделия.
2.	Если возникающие процессы не связаны с теми видами повреждений, которые определяют безотказность работы изделия.
Восприятие энергии элементами, не влияющими или мало влияющими на работоспособность изделия — второй основной путь повышения их безотказности. Так, смазка в узле трения, воспринимающая внешнюю нагрузку, препятствует возникновению износа, как нежелательного вида повреждения.
3.	Если изменения выходных параметров изделия, возникшие в результате повреждения его элементов, не выходят за допустимые пределы.
Для обеспечения этого условия применяется широкий ассортимент методов и средств, направленных на уменьшение интенсивности протекания вредных процессов или на компенсацию возникающих погрешностей функционирования изделия.
В качестве примера разработки блок-схемы возникновения отказа на рис. 11 показан упрощенный вариант такой схемы для направляющих металлорежущих станков. Как известно, направляющие скольжения, которые служат для перемещения столов и суппортов, играют в станках особую роль, так как от их точности и долговечности в большой степени зависит точность обработки [153]. Для обеспечения надежности работы станка необходимо оценить возможность возникновения отказа по точности по вине направляющих. Энергия, действующая на станок и на направляющие, в виде механической, тепловой и химической энергии может вызывать такие процессы как износ, тепловую Деформацию, коррозию, изменяющие начальное состояние направляющих.
55
Энергия, действующая на станок
Рис. 11. Блок-схема отказа направляющих станка
Условия для оценки возможности возникновения данного процесса могут быть в первом приближении записаны следующим образом.
Для невозникновения процесса изнашивания, если придерживаться усталостной теории износа [93] необходимо, чтобы давление в направляющих р не превосходило некоторого критического значения ркр. Последнее соответствует контактным напряжениям, возникающим в микровыступах поверхностей при их взаимном внедрении в процессе трения, которые должны быть ниже длительного предела усталости для данной пары материалов. Это обычно приводит к повышенным габаритам направляющих и поэтому, как правило, р > ркр, т. е, имеют место условия для возникновения усталостного износа.
Условие для отсутствия тепловых деформаций заключается в обеспечении постоянства температуры 0 = const. Поэтому прецизионные станки, как правило, работают в помещениях с постоянной температурой. Для станков нормальной точности, 56
работающих в обычных условиях, доля тепловых деформаций в балансе точности обычно невелика.
Для оценки возможности возникновения коррозии, которая для направляющих станка связана как с атмосферными влияниями, так и с действием охлаждающей жидкости, необходимо определить термодинамическую устойчивость металла в данной среде. Для этого наиболее часто используется изобарно-изотермический потенциал (функция Гиббса). Коррозионный процесс возможен, если стандартная величина изменения этого потенциала AG298 <0 [63].
Таким образом, для каждого вида энергии, действующего на изделие, можно установить граничные условия для возникновения вредных процессов, которые при их развитии могут привести к отказу.
Для направляющих станков основной причиной потери работоспособности является износ [146]. Повреждение поверхности в результате износа приводит к искажению начальной формы направляющих, что влияет на точность обработки детали. Поэтому выходной параметр станка — погрешность обработки А, — функционально связан с износом направляющих I/, т. е. А = f (U). Однако, если А не превосходит допустимого (по требованиям точности к станку) значения Адоп, то отказ не возникнет.
Для прогнозирования поведения машины в различных условиях эксплуатации и отыскания оптимальных с точки зрения надежности конструктивных решений необходимо знать закономерности протекания тех процессов, которые приводят к потере машиной работоспособности.
Вскрытию сущности физико-химических процессов, которые приводят к отказу изделия и математическому описанию этих явлений в функции времени, посвящен раздел науки о надежности, который получил название физика отказов.
ГЛАВА 2
ФИЗИКА ОТКАЗОВ
1. Анализ закономерностей, описывающих изменения в материалах
1. Изменение свойств и состояния материалов как причина потери изделием работоспособности. Изменение начальных свойств и состояния материалов, из которых выполнено изделие, является первопричиной потери им работоспособности, так как эти изменения могут привести к повреждению изделия и к опасности возникновения отказа.
Чем глубже изучены закономерности, описывающие процессы изменения свойств и состояния материалов, тем достовернее можно предсказать поведение изделия в данных условиях эксплуатации и обеспечить сохранение показателей надежности в требуемых пределах.
Хотя для оценки надежности, как правило, используются вероятностные характеристики, это не значит, что суждение о поведении изделия можно сделать лишь на основании статистических исследований.
Наоборот, в основе потери машиной работоспособности всегда лежат физические закономерности, но в силу разнообразия и переменности действующих факторов эти зависимости приобретают вероятностный характер.
Пусть скорость некоторого процесса повреждения материала у есть функция ряда входных параметров Z2; ...; Zra и времени причем данная зависимость получена на основе физико-химических законов:
0.	 (1)
Параметры Zz характеризуют условия эксплуатации (нагрузки, скорости, температура и др.), состояние материала (твердость, прочность, качество поверхности и т. д.) и другие факторы, влияющие на протекание процесса повреждения материала. Однако при наличии только функциональной зависимости, достаточно достоверно описывающей данное явление, нельзя еще точно предсказать, как будет протекать данный процесс, так как сами аргументы Zf, ...; Zn являются случайными величинами.
Действительно, при работе машины происходят непредвиденные изменения и колебания нагрузок, скоростей, температур, степени загрязнения поверхностей. Более того, сами детали машины могут быть выполнены с различными допусками на технологические параметры (точность, однородность материала и др.). 58
Однако знание физической закономерности процесса в корне изменяет возможности по оценке хода процесса по сравнению со случаем, когда этот процесс оценивается только на основе статистических наблюдений.
Функциональная зависимость, хотя и абстрагирует действительность и лишь с известной степенью приближения отражает физическую сущность процесса, но позволяет предсказывать возможный ход процесса при различных ситуациях. Так, например, подстановка в уравнение (1) средних значений аргументов дает представление о математическом ожидании случайной функции, описывающей процесс, а по дисперсии случайных аргументов можно оценить и дисперсию случайного процесса (см. гл. 3 и гл. 4). Поэтому «Физика отказов», которая изучает закономерности изменения свойств материалов в условиях их эксплуатации, является основой для изучения и оценки надежности машин.
2. Три уровня изучения поведения материалов. Для решения инженерных задач надежности необходимо знать закономерности изменения выходных параметров машины и ее элементов во времени. Так, надо оценить деформацию деталей, износ их поверхности, изменение несущей способности из-за релаксации напряжений или процессов усталости, повреждение поверхности из-за коррозии ит. д., т. е. рассмотреть макрокар^ину явлений, происходящих при эксплуатации машины. Однако для объяснения физической сущности происходящих явлений и для получения таких закономерностей, которые в наиболее общей форме отражают объективную действительность, необходимо также проникнуть в микромир явлений и объяснить первопричины взаимосвязей.
Поэтому современная наука изучает закономерности изменения свойств и состояния материалов на следующих уровнях.
Субмикроскопический уровень, когда на основании рассмотрения строения атомов и молекул и образования из них кристаллических решеток твердых тел или иных структур выявляются закономерности, который служат базой для объяснения свойств и поведения материалов в различных условиях. Эти закономерности, как правило, являются основой для дальнейших исследований и разработок частных зависимостей.
Так, физика твердого тела [206 ], опираясь на атомную физику, в том числе на квантовую механику, описывает электронные состояния твердых тел, рассматривает связи между атомами и образование кристаллических решеток, исследует неравновесные положения атомов в решетке.
Этот уровень исследований позволил развить фундаментальные представления о несовершенстве в кристаллах и особенно о дислокациях, их взаимодействиях и движении, о силах упругости с точки зрения квантовой механики, о диффузии атомов в твердых телах ит, д., которые являются физической основой для решения основных задач прочности и долговечности материалов.
59
Микроскопический уровень рассмотрения свойств материалов исходит из анализа процессов, происходящих в небольшой области. Полученные при этом закономерности в дальнейшем распространяются на весь объем тела.
Классическим примером в этом отношении может служить теория напряжений и деформаций в идеальном однородном теле, когда в точке тела выделяется бесконечно малый элемент в виде параллелепипеда и рассматривается его напряженное состояние. Связь между деформациями и напряжениями описывает закон Гука. Развитие этого подхода с учетом возникновения пластических деформаций позволяет найти зависимости между напряжениями и деформациями и за пределами упругости [111]. Необходимость учитывать реальные особенности строения материалов привела к созданию таких наук, как металловедение, которая изучает и устанавливает связь между составом, строением и свойствами металлов и сплавов. Для материаловедения как раз характерно рассмотрение явлений, происходящих в пределах данного участка (зерна, участка с типичной структурой), обладающего основными признаками всего материала. Изучение микроструктур сплавов и их формирования явлений, происходящих по границам зерен, термических превращений и других процессов, проводится в первую очередь на уровне, который описывает микрокартину явлений.
Изучение влияния совместного действия силовых и физико-химических факторов на поведение твердых тел в процессе их эксплуатации привело к появлению нового направления — физико-химической механики материалов [106]. Здесь делается попытка привлечения физики твердого тела, физической химии, химии твердых состояний и неравновесной термодинамики для изучения деформации и разрушения твердых тел, работающих в условиях одновременного действия нагрузок, температур, коррозионноагрессивных сред и ядерных облучений.
Изучение взаимодействия двух трущихся поверхностей с учетом их геометрических и физических свойств [93] и поверхностных явлений в связи со смазкой и наличием поверхностно-активных веществ [166] также начинается с анализа взаимодействия элементарных участков поверхности и выявления типовых фрикционных связей (см. гл. 5).
- Рассмотрение закономерностей на уровне микрокартины явлений — необходимый этап для дальнейшего распространения полученных зависимостей на весь объем твердого тела, т. е. на всю деталь или ее поверхность.
Макроскопический уровень рассматривает изменение начальных свойств или состояния материала всего тела (детали). Так теория упругости на основе закона Гука рассматривает деформации и напряжения в системах и деталях различной конфигурации, работающих на растяжение, кручение, изгиб и другие виды деформации. •
60
Обратимые процессы	Необратимые процессы
Рис. 12. Классификация закономерностей, оценивающих изменения свойств и состояния материалов
Перенесение на всю деталь исходных закономерностей, отнесенных к элементарному объему (точке), потребовало разработки специальных, иногда довольно сложных методов инженерных расчетов.
Аналогично, для расчета на износ поверхностей деталей машин на основе исходных закономерностей изнашивания материалов были разработаны методы, учитывающие различные условия контакта и конструктивные особенности сопряженных деталей [146]. Типичным построением инженерных методов расчета деталей машин на прочность и деформацию, на износ, на ползучесть и т. д. следует считать такое, при котором на основе физической картины процесса на микроучастке объема рассматриваются процессы с учетом размеров, конфигурации и условий работы всей детали.
Разнообразные закономерности и методы расчетов, применяемые при конструировании и производстве машин, полученные общие физические законы и частные зависимости могут быть использованы и при решении вопросов надежности. При этом, поскольку главной задачей является оценка изменения свойств и состояния материала в функции времени, необходимо выявить, какие физические закономерности могут быть использованы и как проявляется фактор времени при оценке работоспособности изделия.
3. Законы состояния. Как физические законы, так и полученные на их основе частные зависимости, описывающие изменение свойств и состояния материалов, можно разделить на две основные группы (рис. 12).
Во-первых, это 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.
61
Во-вторых, имеются закономерности, которые описывают не* обратимые 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.
Рассмотрим, как различные закономерности могут быть использованы для оценки потери изделием работоспособности.
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. На основании этих законов получены расчетные зависимости для решения различных инженерных задач.
Так, для простейшего случая определения деформации AZ однородного стержня длиной Z, разогретого до избыточной температуры 0, при его растяжении силой Р на основании упомянутых законов, получим
Д/ = -^- + /а0,	(2)
где Е — модуль упругости; а — коэффициент линейного расширения материала и F — площадь поперечного сечения стержня.
При снятии внешних воздействий (температуры, нагрузки) стержень возвратится в исходное состояние (AZ = 0). Если стержень является элементом конструкции, то его деформация не должна превосходить допустимого значения AZ < (AZ)max.
Статические законы, описывающие изменения состояния изделия, хотя и не включают фактор времени, но могут быть использованы для расчетов надежности, если известны изменения характеристик изделия в процессе эксплуатации.
Так, если из-за износа отдельных сопряжений машины в ней с течением времени повышается тепловыделение и растут нагрузки в отдельных звеньях, т. е. 9 = 0 (/) и Р — Р (/), то соответственно будет изменяться и деформация AZ (/), которая может быть подсчитана по формуле (2).
В данном случае эта формула не выявляет причин изменения работоспособности изделия, которые скрыты в зависимостях Р и 0 от времени. Поэтому использование этой и аналогичных формул для расчетов надежности носит обычно вспомогательный характер.
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 быстропротекающих процессов или про-62
цессов средней скорости. Лишь при известном изменении уровня внешних воздействий их можно использовать для решения задач надежности.
. 4. Законы старения. 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 (см. рис. 12).
Типичным примером законов превращения могут служить зависимости, описывающие процессы коррозии. Вывести закономерности, непосредственно отражающие изменение величины коррозии во времени, как правило, трудно в результате следующих причин.
Во-первых, из-за поливариантности коррозийных процессов, когда большое число факторов оказывает одновременно и часто противоположное действие на интенсивность повреждения.
Во-вторых, коррозия может быть не только равномерно распределенной по поверхности металла (например, в виде окисной пленки), но и носить локальный характер (местная коррозия) или проявляться в виде межкристаллитной коррозии.
Например, при химической коррозии металлов и сплавов, которая возникает при контакте с сухими газами или некоторыми неэлектролитами (смазками) и протекает наиболее интенсивно в условиях повышенных температур, имеют место окислительные реакции вида
т Me + О2 -»Mejb™ ,	(3)
2
где т — число атомов металла Me; п — валентность металла.
Так при окислении алюминия эта реакция примет вид
2A1 + -|-O8_A12O3.	(4)
Для оценки возможности возникновения и интенсивности коррозионного процесса применяют законы химической термодинамики. Поскольку при окислительно-восстановительных коррозионных реакциях совершается работа химического процесса, то фактором, характеризующим интенсивность процесса, может служить величина одной из термодинамических функций [196].
Чаще всего для таких расчетов используется изобарно-изотермический потенциал G (функция Гиббса), когда определяется °298 Дж/моль— стандартная величина изменения потенциала G
63
окислительно-восстановительной реакции при температуре 0 =« = 298 К, отнесенная к концентрации веществ, равной единице:
Д£?298 = Д(?298 4“	,	(5)
где с' ис — концентрация (активность и парциальные давления) полученных и израсходованных веществ; 0 — температура; R — газовая постоянная.
Коррозионный процесс возможен при Дб298 < 0, а его интенсивность характеризуется абсолютной величиной AG298. Расчет этих значений для различных реакций окисления металлов сухим воздухом (газовая химическая коррозия) по уравнениям (3) и (5) позволяет судить о термодинамической интенсивности окисления металлов, о сродстве металлов к кислороду.
Термодинамическая интенсивность окисления технических металлов кислородом падает в ряду Al, Zr, Та, Сг, Zn, Те, Со, Ni, Си, Pt, Ag,
Данный пример применения физико-химических закономерностей для оценки интенсивности протекания процессов химической коррозии является типичным подходом к анализу сложных явлений старения и разрушения материалов.
Хотя для прогноза поведения изделия при эксплуатации и для выбора оптимальных решений желательно было бы иметь непосредственные зависимости протекания данного процесса старения во времени, сложность явления не позволяет на данном этапе получить эту закономерность.
Поэтому используются физические и химические законы, отражающие наиболее существенные стороны процесса и показатели, по которым можно косвенно судить об интенсивности процесса. 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 (подробнее об этом см. гл. 5). Анализируя исследования последних лет, следует отметить, что все чаще 'стремятся получить законы, описывающие ход процесса старения или разрушения как функцию времени.
64
Так, выявлены закономерности, оценивающие типичные процессы коррозии как' функции времени [63], делаются попытки оценить скорость развития усталостных трещин [164], получены данные для оценки протекания процессов ползучести [111], имеются закономерности, описывающие изменения свойств масел в процессе их эксплуатации [211], изменения коэффициента трения при работе сопряжения, коробление отливок от остаточных напряжений, изменение во времени свойств полимерных материалов [200] и др.
Многие временные закономерности физико-химических процессов могут быть получены на основе рассмотрения кинетики термоактивационных процессов. Изменение свойств твердых тел происходит в результате перемещений и перегруппировок элементарных частиц (атомов, молекул, электронов, протонов и др.), изменения их положения в кристаллической решетке.
Это относится к той небольшой части элементарных частиц, энергия которых превосходит некоторый уровень, который называется энергией активации £а. Скорость данного процесса тем больше, чем большее число частиц обладает энергией выше, чем энергия активации.
Законы статической физики определяют вероятность распределения частиц по скорости и вероятность данного положения частицы в пространстве, что позволяет оценить долю частиц, обладающих энергией Е, превышающей энергию активации Ел (например, распределение Максвелла—Больцмана для молекул и атомов).
Если учесть, что обычно имеет место экспоненциальная зависимость доли частиц с энергией Е > Ей от значения Еа и температуры 6, то скорость у многих физико-химических процессов может быть выражена зависимостью
Т=с.ехр(—(6)
где с — постоянный коэффициент, зависящий от механизма процесса и К — постоянная Больцмана (КО — имеет размерность энергии).
Как видно из формулы (6), скорость процесса постоянна для заданных условий и резко возрастает с повышением температуры, так как при этом увеличивается доля частиц, обладающих высокой энергией [115].
Для определения скорости химических реакций необходимо оценить изменение количества или концентрации реагирующих веществ в единицу времени. Протекание химических реакций происходит при столкновении молекул или атомов, когда разрушаются старые и образуются новые химические связи.
Кинетические уравнения реакций позволяют определить скорость их протекания. Так, для простейшей реакции разложения сходного вещества А на продукты В и D, т. е. А —> В 4-D, можно 8 Проников A. G.	65
считать, что скорость реакции ур пропорциональна концентрации исходного вещества:
Тр = -^- = к(а-г),
(7)
где к — константа (удельная скорость) реакции; а — начальная концентрация реагирующего вещества; z—концентрация образующихся продуктов реакции.
В результате получим дифференциальное уравнение
dz ,
+ кг = ка,
dt 1
решение которого будет
г — а(1 — е~к*).	•	(8)
Таким образом, концентрация образующихся продуктов z, которая при процессах старения может оценивать степень повреждения элемента (77 — z), изменяется по экспоненциальному закону, и при t —>оо z —> а. Вначале процесс идет более интенсивно, а затем из-за уменьшения количества исходного вещества замедляется.
Для процессов старения, при которых изменение исходного вещества незначительно и может не учитываться, основную роль играет начальный участок этой зависимости, который может быть аппроксимирован прямой, т. е. принимается ур = const.
Законы старения являются основным объектом рассмотрения в «физике отказов».
5. Область существования процесса старения. Любой процесс старения возникает и развивается лишь при определенных внешних условиях. Для оценки возможных видов повреждения материалов деталей машин необходимо установить область существования процесса старения и в первую очередь условия его возникновения. Для возникновения процесса обычно должен быть превзойден определенный уровень нагрузок, скоростей, температур или других параметров, определяющих его протекание. Этот начальный уровень или порог чувствительности особенно важно знать для быстропротекающих процессов старения, когда после возникновения процесса идет его интенсивное лавинообразное развитие. Часто порог чувствительности связывают с некоторым энергетическим уровнем, который определяет начало данного процесса. Например, упомянутая выше энергия активации £а определяет энергетический уровень, начиная с которого может идти процесс изменения свойств материала.
Типичными примерами наличия энергетического барьера, начиная с которого может идти процесс, являются схватывание металлов и развитие трещин при хрупком разрушении.
При схватывании двух контактирующих поверхностей происходит образование металлических связей и объединение кристал-66
лических решеток как следствие совместного пластического деформирования материалов. При трении деталей машин этот процесс практически мгновенно приводит к резкому изменению условий трения, что может вызывать заедание и отказ данной пары. Как показали исследования А. П. Семенова [179], для возникновения схватывания необходимо преодоление некоторого энергетического порога. Это объясняется тем, что для образования металлических связей между различно ориентированными кристаллическими решетками надо затратить определенное количество энергии для деформации и такой ориентации решеток, при которой возможно их взаимодействие. Освобождаемая в первичных актах соединения поверхностная энергия воспринимается объемами металла, непосредственно прилегающими к зонам соединения, в виде теплоты и дополнительных искажений кристаллической решетки. Образовавшиеся участки соединения можно рассматривать как двухмерные зародыши полного соединения. Если сумма выделившейся энергии, уже запасенной кристаллической решеткой, достаточна для образования металлических связей в зонах, прилегающих к границе зародыша, начнется самовозбуждающийся процесс увеличения площади соединения—своеобразная разветвляющаяся цепная двухмерная реакция.
Энергетическая концепция лежит также в основе теории возникновения трещин в металлических конструкциях при средних напряжениях, остающихся ниже предела текучести. Эта теория базируется на условии Гриффита, который утверждал, что существующая трещина будет лавинообразно распространяться, если скорость освобождения энергии упругой деформации превзойдет прирост поверхностной энергии трещины.
Условие роста трещии при деформации плоской пластины может быть выражено следующим уравнением [164]:
> 4/(«7,+ Л7П),	(9)
где о — напряжение в пластине; Е — модуль упругости; 21 -=» длина трещины, идущей под прямым углом к направлению напряжения о; Ц7н — энергия поверхностного натяжения трещины;
— работа пластической деформации (у Гриффита не учитывается).
Левая часть этого уравнения представляет собой уменьшение упругой энергии в пластинке единичной толщины из-за внезапного возникновения трещины длиной 21.
Правая часть отражает прирост энергии пластинки вследствие жен аИИЯ^Н0В°^ повеРхности» обладающей поверхностным натя-
Согласно современным взглядам на энергетический баланс лел°ВН°е влияние оказывает работа Ц7П, идущая на пластическую формацию при распространении трещины.
3*	67
Рис. 13. Схема изменения характера процесса изнашивания в зависимости от скорости относительного скольжения (по Б. И. Костецкому)
Из этого уравнения следует, что критическое напряжение, при котором происходит переход развития трещины в неустойчивое состояние, равно
|01>2/Ж±Ьй	(10)
Таким образом, здесь также получены условия, при которых может начаться интенсивный процесс разрушения.
Для процессов, развитие которых происходит монотонно, необходимо определить область их существования и экстремальные значения внешних условий, при которых сохраняется данный механизм процесса.
Например, при износе поверхностей в зависимости от смазки и скорости относительного скольжения, а также от давления, состава окружающей среды и других факторов будут возникать различные виды износа.
На рис. 13 представлена принципиальная схема изменения вида износа металлов и сплавов в зависимости от скорости относительного скольжения v (по Б. И. Костецкому [90]).
Закономерность, описывающая изменения интенсивности изнашивания (отношение величины износа к пути трения), имеет три участка, которые соответствуют различным механизмам процесса изнашивания.
Участок II, при котором интенсивность изнашивания при данных условиях не изменяется и имеет минимальное значение, соответствует допустимой форме износа, когда деформирование контактирующих поверхностей и их разрушение в микрообъемах сопровождается окислительными процессами (по Б. И. Костецкому — окислительный износ). При правильно выбранных условиях его интенсивность может быть весьма незначительной.
Как при малых скоростях скольжения (участок Z), так и при больших (участок- III) при сухом трении возникают недопустимые виды износа с высокой интенсивностью процесса и существенным изменением качества поверхностного слоя.
Это связано с процессами схватывания, когда при малых скоростях скольжения облегчается взаимодействие кристаллических решеток, а при больших — возникают тепловые явления, интенсифицирующие процессы взаимной диффузии металлов и их термическое схватывание. Поверхность скольжения при схватывании приобретает недопустимый вид повреждения.
68
Таким образом, имеются критические значения внешних условий, в данном случае окр1 и пкр2, которые характеризуют возникновение процесса определенного вида.
Для закономерностей любых процессов старения должны быть определены границы их применения, т. е. области существования данных процессов.
Оценивая эти области, необходимо также иметь в виду, что в одних и тех же объемах материала или на поверхности могут одновременно протекать различные процессы старения.
На выходные параметры изделия оказывают влияние все действующие процессы старения, характеризующиеся следующими основными видами их взаимодействия.
1.	Одновременно протекающие процессы не оказывают взаимного влияния и вызывают изменение выходных параметров независимо друг от друга. Например, при повреждении поверхности трения из-за попадания абразива и из-за дефекта отливки (см. рис. 6).
2.	Одновременно протекающие процессы не оказывают взаимного влияния, но их действие на выходной параметр суммируется. Например, температурная и силовая деформации системы складываются [см. формулу (2)], если процессы не сопровождаются необратимыми явлениями (например, пластической деформацией).
3.	Одновременно протекающие процессы взаимодействуют и образуют новый более сложный процесс (наиболее характерный случай).
Типичным примером могут служить процессы коррозионноусталостного разрушения металлов и сплавов, когда результат не является простым сложением коррозии и механического разрушения, а представляет собой более сложный физико-химический процесс, интенсивность которого выше суммы интенсивности при действии каждого фактора в отдельности. При некоторых взаимодействиях имеет место ведущий вид процесса, когда его особенности оказывают основное влияние на выходные параметры [90]. В этом случае отыскание закономерностей, описывающих данное явление, несколько облегчается.
Однако для многих процессов старения характерно именно одновременное действие деформационных, тепловых, химических и других процессов, приводящих к возникновению сложной физико-химической картины изменения начальных свойств и состояния материалов.
2£ Поверхностный слой и его параметры
1.	Значение явлений в поверхностных слоях при разрушении и старении материалов; Строение поверхностного слоя твердых тел и происходящие в нем явления играют особую роль для протекания большинства процессов старения и разрушения материалов. Состояние поверхностного слоя определяет процессы, возникающие при взаимодействии с другим телом или с окружающей Редой, например, при износе, контактной деформации, усталости,
69
коррозии и др. Кроме того, многие виды разрушения всего тела детали начинаются с поверхности и зависят от ее состояния.
Особое влияние поверхностного слоя материала на работоспособность изделий связано со следующими причинами.
Во-первых, поверхностные слои твердого тела наделены избытком энергии, так как молекулы и атомы, находящиеся у поверхности, имеют свободные связи, которые способствуют возникновению таких явлений, как поглощение (адсорбция), сцепление (когезия), прилипание (адгезия), смачивание и другие виды взаимодействия с веществами внешней среды, когда поверхностный слой приобретает своеобразное строение.
Во-вторых, поверхностный слой формируется в результате разнообразных технологических процессов, которые не только образуют необходимую форму поверхности и изменяют свойства материала, но и вызывают ряд побочных явлений, изменяющих свойства твердого тела у его поверхности. Физико-химические параметры поверхностного слоя, его структура и напряженное состояние, как правило, сильно отличаются от свойств всего объема материала.
В-третьих, в процессе эксплуатации идет непрерывное изменение (трансформация) параметров поверхностного слоя в значительно большей степени, чем изменения, происходящие по всему объему тела.
Поэтому большинство отказов машин связано с процессами, протекающими в поверхностных слоях, и их природа не может быть объяснена без анализа тех изменений, которые претерпевают характеристики поверхностного слоя при эксплуатации изделий.
Прежде чем рассматривать процессы, протекающие в поверхностных слоях, необходимо оценить параметры, которые характеризуют их состояние и по изменению которых можно судить о происходящих явлениях. Эта задача достаточно сложна как из-за необходимости использовать большое число показателей, так и вследствие их разнообразия по своей физической природе. Анализ исследований, проводимых в этой области, показывает, что по мере проникновения в суть происходящих явлений число параметров, применяемых для характеристики поверхностного слоя, возрастает.
Эти параметры должны характеризовать:
геометрию поверхностного слоя, включая микрогеометрию и отдельные дефекты поверхности;
напряжения, возникающие в поверхностных слоях как на отдельных участках поверхности, так и в микрообъемах;
структуру поверхностного слоя как следствие пластической деформации, температурных влияний, окислительных процессов и других воздействий;
структуру прилегающих к поверхности адсорбированных тонких слоев смазки с учетом ориентированных молекул поверхностноактивных веществ.
70
Впадины
<0 Вершины
Рис. 14. Микрорельеф поверхности:
а — топография поверхности; б — параметры поверхностного слоя; в кривая опор» ной поверхности; 1 >— продольная шероховатость; 2 — поперечная шероховатость:' 3 =~ трещина; 4 « скол; х—х — произвольное сечение
2.	Геометрические параметры поверхностного слоя. Поверхностный слой с геометрической точки зрения представляет собой довольно сложную формацию.
Как известно, любая реальная поверхность имеет отклонения формы от номинальной (идеальной) поверхности, заданной чертежом.
Макрогеометрия поверхности, т. е. характеристика ее формы — овальность, огранка, конусность для цилиндрических поверхностей, выпуклость или извернутость плоскости и т. п. — является важным фактором, влияющим на работоспособность деталей ИЗ 1. Для различных поверхностей допустимые отклонения формы оговорены соответствующими стандартами.
Микрогеометрия, которая имеет не меньшее значение для оценки свойств поверхностного слоя, характеризуется шероховатостью (высотой неровностей Rz или средним арифметическим отклонением профиля от средней линии Ra и рядом других параметров по ГОСТ 2789—73) и волнистостью (совокупность периодически повторяющихся выступов и впадин с шагом, превышающим базовую длину, принятую стандартом для определения параметров шероховатости).
Следует подчеркнуть, что микрорельеф поверхности представляет собой достаточно сложную картину с различной шероховатостью в направлении обработки и в перпендикулярном к ней направлении (рис. 14).
71
Микротопография поверхности (рис. 14, а) показывает сложное чередование впадин и выступов, поэтому профилограмма является случайным сечением и лишь с известной степенью приближения характеризует рельеф поверхности.
На работоспособность изделия влияют не только основные характеристики волнистости (рис. 14, б) (высота волны И и ее шаг L) и шероховатости (Z?z; Ra, средний шаг S и максимальная высота неровностей /?шах), но и форма микронеровностей, их направление, форма волнистости и другие параметры микрорельефа.
Для характеристики шероховатости часто применяют интегральную характеристику — кривую опорной поверхности (рис. 14, в) и отдельные показатели, оценивающие форму микрорельефа. Так определяют шаг микронеровностей, средний радиус впадин и выступов, параметры кривой опорной поверхности и др. Для более полной характеристики шероховатости поверхности можно использовать аппарат гармонического анализа и профилограмму поверхности представить в виде конечной совокупности гармоник [59].
Шероховатость и волнистость поверхностного слоя зависят от вида технологического процесса и режимов обработки — величины подачи, скорости резания, применения смазочно-охлаждающей жидкости, от геометрии режущего инструмента, жесткости и виброустойчивости системы СПИД (станок — приспособление — инструмент—деталь).
Следует отметить, что геометрическими параметрами (размерами) можно характеризовать и отдельные дефекты поверхности — трещины, сколы (см. рис. 14, б), царапины и другие локальные отклонения от установившегося рельефа.
Геометрические характеристики макро- и микрорельефа поверхности широко разработаны и им посвящена обширная литература [13, 54, 122, 1701.
3.	Напряженное состояние поверхностного слояг Напряженное состояние поверхностного слоя имеет свою специфику не только вследствие того, что при таких основных видах деформации как изгиб и кручение максимальные напряжения, определяющие прочность детали, возникают у поверхности, но и из-за влияния следующих факторов.
Во-первых, при контакте поверхностей возникают местные напряжения, которые при начальном ,касании по линии или в точке определяются формулами Герца, а при касании по поверхности аналогичные явления возникают при контакте микронеровностей. Часто при моделировании контакта двух шероховатых поверхностей их представляют в виде набора полусфер, конусов или цилиндрических поверхностей с тем, чтобы для подсчета напряжений и деформаций использовать соответствующие зависимости Герца—Беляева при упругом взаимодействии или учесть также и пластическую деформацию.
72
Рис. 15. Типичные эпюры остаточных напряжений I рода в поверхностном слое
Во-вторых, у поверхности детали возникают местные концентрации напряжений, связанные с резкими изменениями формы поверхности. Концентраторами напряжений могут быть не только конструктивные элементы (галтели, отверстия, канавки), но и микрориски, трещины, впадины микронеровностей. Концентрация напряжений часто является причиной зарождения процессов усталост-
л	л
ного разрушения.
Наконец, специфической особенностью поверхностного слоя является возникновение внутренних остаточных напряжений.
Как известно, внутренние напряжения, возникающие в процессе нагрева и охлаждения детали, образуют равновесную систему и могут проявляться в виде макронапряжений, охватывающих крупные объемы детали (напряжения I рода), микронапряжений в пределах одного или нескольких кристаллических зерен (напряжения II рода) и субмикроскопических напряжений, действующих между элементами кристаллической решетки (напряжения III рода).
Внутренние напряжения, как правило, являются следствием определенного технологического процесса, поэтому различают литейные, сварочные, закалочные, шлифовочные и другие остаточные напряжения.
Остаточные напряжения, которые сохраняются в детали длительное время, алгебраически складываясь с рабочими (внешними) напряжениями, могут^их усиливать или ослаблять.
Особенно опасны растягивающие напряжения, которые приводят к понижению усталостной прочности и износостойкости (для некоторых видов изнашивания).
Остаточные напряжения, возникающие в поверхностных слоях при механической обработке, могут относиться к напряжениям как I, так и II рода.
На рис. 15 приведены типичные эпюры остаточных напряжений I рода. Наибольшие напряжения у поверхности могут быть как сжимающими (левый столбец), так и растягивающими, что, как правило, наиболее неблагоприятно.
Характер эпюры остаточных напряжений может быть таким, что максимальные напряжения возникают непосредственно у по-ерхностного слоя (рис. 15, а), на некоторой глубине, причем
73
у поверхности они равны нулю (рис. 15, б) или имеют вид, показанный на рис. 15, в.
Характер эпюры остаточных напряжений и их величина в сильной степени зависят от условий и режимов резания, при механической обработке [1421 йот методов поверхностного упрочнения.
Разнообразие эпюр- объясняется одновременным действием различных факторов и в первую очередь сочетанием силовых и температурных воздействий.
Пластическая деформация металла увеличивает его удельный объем, поэтому поверхностные слои, пластически деформированные при обработке резанием или при процессах упрочнения, стремясь увеличиться, встречают сопротивление недеформированного слоя металла.
В результате в наружном слое появляются напряжения сжатия, а в остальной части — напряжения растяжения. Это имеет место в том случае, когда поверхностный слой не находится в состоянии ползучести, вызванном температурными воздействиями. При разогреве поверхностного слоя выше той температуры, которая соответствует состоянию ползучести металла в этот период, внутренних напряжений в нем не возникает, а при охлаждении в наружном слое возникают растягивающие напряжения, а в нижележащих слоях — напряжения сжатия (рис. 15, а — справа), т. е. картина остаточных напряжений противоположна той, которая имеет место при отсутствии влияния температуры.
Так как оба фактора — температурный (состояние ползучести) и силовой (пластическая деформация) — действуют одновременно, то знак остаточного напряжения в наружном слое зависит от того, какой из этих факторов превалирует.
Например, при шлифовании титановых сплавов в поверхностном слое возникают растягивающие остаточные напряжения. Они могут достигнуть (а иногда и превысить) предела текучести материала. Исследования показали [1021, что в образовании остаточных напряжений в этом случае доминирующую роль играет тепловой фактор.
При фрезеровании тепловой фактор уже не играет такой роли в образовании остаточных напряжений, особенно при низких и средних скоростях резания. В поверхностном слое при фрезеровании с различными скоростями резания могут возникнуть как сжимающие, так и растягивающие напряжения. При малой скорости резания большее влияние оказывают силы резания и поэтому в поверхностном слое возникают сжимающие остаточные напряжения.
Следует заметить, что напряженное состояние зависит от формы и размеров детали, режимов обработки и физико-механических свойств обрабатываемого материала.
Большое влияние на характер эпюры остаточных напряжений оказывают методы поверхностного упрочнения и защитные покрытия [1451. Установлено, что в поверхностных слоях деталей после 74
закалки ТВЧ, поверхностного наклепа, азотирования и цементации действуют значительные сжимающие напряжения с максимумом у поверхности, а детали после такой обработки обладают повышенной усталостной прочностью. После нанесения большинства гальванических покрытий или при обезуглероживании поверхностей стальных деталей в поверхностных слоях возникают остаточные напряжения растяжения (рис. 15, а, справа).
Для ряда покрытий сжимающие остаточные напряжения имеют максимум у линии раздела «защитный слой — подложка» (рис. 15, б, слева). Такая эпюра напряжений может иметь место при насыщении углеродистых сталей некарбидообразующими элементами, оттесняющими углерод из зоны насыщения в глубь основного металла, а также при получении защитных покрытий гальванотермическим способом. При диффузионном отжиге деталей с гальваническими покрытиями, металл которых способен диффундировать в сталь, на границе раздела «покрытие—подложка» будет возникать диффузионный слой, обладающий большим удельным объемом, чем основной металл покрытия, что вызовет в этом месте появлейие сжимающих напряжений.
Растягивающие остаточные напряжения с максимумом у линии раздела «диффузионный слой—подложка» (рис. 15, б, справа) могут иметь место, например, при химико-термической обработке поверхностно-обезуглероженных сталей. Иногда наибольшее значение сжимающих и растягивающих напряжений вследствие релаксационных явлений находится не у самой поверхности, а на некоторой глубине (рис. 15, в).
Следует учитывать, что в поверхностном слое могут возникнуть не только нормальные напряжения растяжения — сжатия, но и касательные напряжения. Последние особенно характерны при механической обработке поверхностей, когда имеется тангенциальная составляющая полной силы резания.
Напряженное состояние поверхностного слоя оказывает существенное влияние на его эксплуатационные характеристики.
4.	Строение поверхностного слоя. Рассматривая строение поверхностного слоя следует иметь в виду, что оно резко отличается от основного материала, так как несет на себе следы технологического процесса обработки, в результате которого, как правило, образуется дефектный слой с искаженной структурой. Кроме того, при эксплуатации изделия постоянно идет процесс изменения свойств поверхности из-за силовых, температурных, окислительных и других воздействий.
Так, при обработке металлов резанием возникновение в поверхностном слое новых образований происходит в результате Действия двух противоположных процессов — упрочнения (наклепа) в результате воздействия на поверхность усилий резания и Разупрочнения (снятия наклепа) в результате влияния температуры резания. В разных условиях превалирует влияние то одного, то другого фактора.
75
Рис. 16. Строение поверхностного слоя.»
а •— изменение твердости И по глубине слоя; б структура поверхност» ного слоя; в » изменение температуры по глубине при резании и трении
При пластической деформации в поверхностном слое металла происходит сдвиг в зернах металла, искажение кристаллической решетки, изменение формы и размеров зерен, образование текстуры. Образование текстуры и сдвиги при пластической деформации повышают прочность и твердость металла. Упрочнение (наклеп) металла под действием пластической деформации согласно теории дислокаций заключается в концентрации дислокаций около линии сдвигов, а так как дислокации окружены полями упругих напряжений, то для последующих пластических деформаций (т. е. для перемещения дислокаций) необходимо значительно большее напряжение, чем в неупрочненном металле.
Наклеп приводит к уменьшению плотности металла пропорционально степени пластической деформации, что объясняется увеличением количества дислокаций и вакансий в наклепанном металле. При наклепе происходит также изменение свойств металла: повышается сопротивление деформации и твердость, понижается пластичность.
Глубину наклепанного слоя I можно определить по изменению микротвердости, которая в поверхностных слоях всегда выше. О степени наклепа можно судить по отношению твердости поверхностных слоев и исходного металла (рис. 16). К наклепу более склонны вязкие и малопрочные металлы. При обработке высокопрочных металлов большая температура резания действует как разупрочняющий фактор. Средние значения толщины наклепанного слоя при точении колеблются от 0,2 до 20 мкм.
Изменения в поверхностном слое происходят не только вследствие процессов упрочнения и разупрочнения, но и из-за структурных превращений и окислительных процессов, которые могут происходить в зоне температурных влияний по глубине h (см. рис. 16, в). Так, при шлифовании углеродистой стали в поверхностном слое могут возникать участки, обезуглероженные под 76
действием высоких температур, может происходить образование структурно-свободного цементита и слоев, пронизанных окислами и нитридами.
Важным фактором, влияющим Нф структуру поверхностного слоя, являются окислительные процессы, которые быстро развиваются в новых поверхностях, появившихся в процессе обработки. У большинства металлов на поверхностях образуются тонкие окисные пленки. Так как пленка находится в напряженном состоянии, то при ее росте возможны разрывы пленки и она приобретает пористое строение. При трении поверхностей деталей машин тонкие слои подвергаются в зоне контакта многократным воздействиям нормальных и тангенциальных напряжений, в сочетании с температурными влияниями и действием среды приобретают рельеф, характерный для данных условий эксплуатации. Поэтому следует различать принципиально неодинаковые виды рельефа поверхности—технологический и эксплуатационный [901.
В общем виде строение поверхностного слоя сплава состоит из следующих характерных участков (см. рис. 15, б).
1-й слой повышенной твёрдости, содержащий окисные пленки, к которым примыкает аморфный адсорбированный слой из пленок влаги, газов и загрязнений.
2-й наклепанный слой с сильно деформированной кристаллической решеткой характеризуется определенной ориентацией (текстурой) зерен, возникшей под влиянием тангенциальных сил резания или трения.
3-й наклепанный слой с искаженной кристаллической решеткой-имеет увеличенное число дислокаций и вакансий.
4-й слой — металл с исходной структурой.
Стремление получить поверхностный слой с наилучшими эксплуатационными характеристиками привело к применению различных технологических процессов финишной обработки, таких как шлифование, суперфиниш, полирование, абразивная доводка и др. При этом на строение поверхностного слоя и его геометрические и физические параметры оказывает влияние не только вид технологического процесса окончательной обработки, но и режимы обработки, обусловливающие сложные процессы формирования данного рельефа (см. гл. 10, п. 5).
В качестве примера можно остановиться на широко применяемой для окончательной обработки прецизионных деталей абразивной доводке при помощи притиров с абразивной пастой или суспензией на их поверхности. При этом достигается точность обработки (погрешность формы) до 0,02 мкм, а шероховатость поверхности до 12—14-го классов. Этим методом обрабатываются калибры, точные керамические опоры, пластины резцов и другие прецизионные детали, особенно выполненные из труднообрабатываемых материалов. Как показали исследования, проведенные в МВТУ им. Баумана П. Н. Орловым, на строение поверхности, получаемой в результате доводки, основное влияние оказывает характер
77
Рис. 17. Поверхность деталей после абразивной доводки при различных режимах обработки:
а «ср = 46, at = 15,3, р = 0,04; б » овр == 126, р  0,1; в <— оср = 36, ах = 9,2, р ® 0,15; г — пср ® 62, р = 0,15; д кср = 23, ах <= 3,8, р — 0,075; е «« оср <= 62, р f= 0,15 (wcp, м/мин; р, МПа; ах, м/с*)
и интенсивность динамического нагружения поверхностного слоя при воздействии на него абразивных зерен. При этом ускоренное движение детали относительно притира (т. е. при наличии тангенциального ускорения ах) вызывает неравномерную нагрузку отдельных микрообъемов, а изменение ах создает переменные напряжения в поверхностных слоях. Скорость распространения микротрещин и характер микрорельефа зависят от интенсивности описанных динамических воздействий.
На рис. 17 показано, как за счет выбора оптимального режима доводки (создание постоянной скорости относительного движения, когда ах = 0, выбор давления и условий, при которых происходит микрорезание, а не ударное воздействие абразива и др.) обработанная поверхность как по рельефу, так и по наличию микротрещин и напряженному состоянию обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики. В любом случае поверхностный слой имеет зону с повышенным количеством дефектов и микротрещин, переходящий в зону с деформированной кристаллической решеткой без микротрещин. Правильно выбранные режимы обеспечивают малую глубину первой зоны, минимальное количество де-78
фектов и благоприятный рельеф поверхностного слоя с повышенной износостойкостью.
5.	Поверхностные явления при наличии смазок. Для характеристики состояния поверхностного слоя необходимо также учитывать поверхностные явления, которые происходят при наличии смазки и поверхностно-активных веществ. Смазочный слой образует у поверхности твердого тела особую структуру, так как свободные связи атомов и молекул, расположенных в последнем слое, взаимодействуют с молекулами смазки и твердого тела.
Благодаря явлению адсорбции происходит образование тончайших пленок газов, паров и масел с ориентированными слоями молекул (рис. 18). Молекулы веществ, адсорбированных на поверхности твердого тела, присоединяются к металлу своим активным концом.
С увеличением расстояния от твердой поверхности ориентация молекул поверхностно-активного вещества (ПАВ) нарушается, а затем пропадает. Толщина граничного слоя зависит от строения молекул и внешних условий. Повышение температуры способствует дезориентации молекул и может привести к разрушению пристенного ориентированного слоя смазки.
В зависимости от строения молекул они могут иметь различную ориентацию у поверхности (не обязательно быть нормально расположенными к поверхности) [7J. Эти явления оказывают воздействие на поведение твердых тел. Так поверхностно-активная среда влияет на процессы разрушения и деформации твердых тел. Адсорбционные пленки приводят к эффекту пластификации, т. е. облегчают пластическое течение в зернах, расположенных в поверхностном слое, так как адсорбированный слой понижает поверхностное натяжение металла.
Кроме того, попадая в микротрещины, смазка оказывает расклинивающее действие и может тела [1661. Таким образом, поверхностные слои твердого тела имеют сложную структуру как следствие процессов производства (изготовления) данной поверхности и процессов ее взаимодействия с окружающей средой при эксплуатации изделия.
Параметры, которые характеризуют состояние поверхности, включают ее геометрические, прочностные, физические, химические, структурные и иные показатели.
Рис. 18, Структура граничного слоя смазки
,6~ подекула ПАВ
I -нолекула пасла
79
Их изменение в процессе эксплуатации при протекании разнообразных процессов старения во многом определяет надежность изделия.
3, Классификация процессов старения
1. Классификация процессов старения по их внешнему проявлению.^ Поскольку процессы старения характеризуются сложными и разнообразными явлениями, происходящими в материалах деталей машины, их классификацию целесообразно провести в зависимости от того внешнего проявления, к которому привел данный процесс. По внешнему проявлению процесса, т. е. по деформации детали, ее износу, изменению свойств и другим показателям, можно судить о степени повреждения материала детали и, следовательно, оценить близость изделия к предельному состоянию.
Классифицируя необратимые процессы старения, следует также определить ту область, в которой проявляется данный процесс, т. е. затрагивает ли он весь объем материала детали, проявляется лишь в поверхностных слоях или протекает при контакте двух сопряженных поверхностей.
В табл. 6 приведена классификация процессов старения по их внешнему проявлению и указаны основные разновидности каждого процесса.
Тело детали может подвергаться разрушению, которое является наиболее опасным проявлением процессов старения, деформироваться или изменять свойства материала — его пластичность, электропроводность, магнитные свойства и т. п.
Наиболее часто процессы старения протекают в поверхностных слоях. При этом поверхность детали может подвергаться температурным, химическим, механическим и иным воздействиям внешней среды. В результате могут происходить явления, связанные с потерей материала поверхности, в результате коррозии, эрозии, кавитации и других процессов, которые объединены одним термином — разъедание поверхности.
На поверхности могут протекать и такие процессы, как адгезия, абсорбция, нагар и другие, которые связаны с присоединением к поверхности других материалов. Эти процессы будем называть наростом. В результате внешних воздействий возможно также изменение свойств поверхностного слоя — его микрогеометрии, твердости, отражательной способности и др.
Специфические процессы протекают при контакте двух сопряженных поверхностей, что наиболее характерно для механизмов и элементов машин.
В этом случае в подвижных соединениях протекает разнообразные процессы износа, которые включают как истирание поверхности, так и усталость поверхностных слоев и ее пластическое деформирование (смятие).
Для подвижных и неподвижных соединений может произойти изменение условий контакта, что приводит, как правило, к изме-80
Классификация процессов старения (необратимые процессы)
Таблица 6
Объект		Внешнее проявление процесса (вид повреждения)	Разновидности процесса
Тело детали (объемные явления)		Разрушение	Хрупкое разрушение, вязкое разрушение
		Деформация	Пластическая деформация, ползучесть, коробление
		Изменение свойств материала	Изменение: структуры материала, механических свойств (пластичность), химического состава, магнитных свойств, газопроницаемости, загрязнение жидкостей (смазки, топлива)
Поверхность (поверхностные явления)	Детали	Разъедание	Коррозия, эрозия, кавитация, прогар, тре-щинообразование
		Нарост	Налипание (адгезия, когезия, адсорбция, диффузия), нагар, облитерация (заращива-ние)
		Изменение свойств поверхностного слоя	Изменение: шероховатости, твердости, отражательной способности, напряженного состояния
	Пары	Износ	Износ (истирание), усталость поверхностных слоев, смятие, перенос материала
		Изменение условий контакта	Изменение:	площади контакта, глубины внедрения микровыступов, сплошности смазки
81
нению жесткости, коэффициента трения и других параметров сопряжения.
2. Процессы повреждения материала детали (объемные явления). Разрушение материала детали (его излом) относится, как правило, к недопустимым видам повреждения (см. гл. 1, п. 3). Это связано с тем, что поломка деталей в результате разрушения часто носит лавинообразный характер и протекает с большой скоростью. Поэтому расчеты, связанные с прочностью, оценивают не скорость процесса разрушения, а те условия, при которых данный процесс не возникает.
Разрушение материала детали может произойти как в результате возникновения недопустимых статических или динамических нагрузок, так и при длительном действии переменных нагрузок, приводящих к усталостным разрушениям.
В первом случае будут иметь место внезапные отказы, так как превышение внешними нагрузками допустимых значений не связано с длительностью предшествующей эксплуатации изделия. Усталостные разрушения относятся к постепенным отказам, так как при работе детали происходит изменение несущей способности материала, и время предшествующей эксплуатации (число циклов нагружения) влияет на вероятность возникновения отказа — усталостной поломки детали.
В. С. Ивановой [66] предложена обобщенная диаграмма усталости. Процесс усталостного разрушения рассматривается как три последовательные стадии.
1.	Начальная стадия действия циклических напряжений, когда в металле происходит накопление упругих искажений кристаллической решетки.
2.	После определенного числа циклов нагружений упругие напряжения кристаллической решетки достигают критической величины и появляются субмикроскопические трещины.
3.	Затем субмикроскопические трещины развиваются до размеров микротрещин и происходит окончательное разрушение испытуемого образца.
Обобщенная диаграмма усталости приведена на рис. 19, где АВС — кривая выносливости (кривая Велера). При напряжениях ниже длительного предела выносливости микротрещины не развиваются. А'В'С—линия начала появления субмикроскопических трещин и А'С — линия начала образования микротрещин или линия необратимой повреждаемости (линия Френча). При критическом напряжении усталости ок > (% разрушение происходит через NK циклов (критическое число циклов).
Если предположить, что наличие в образце трещины определенного размера характеризует некоторую степень повреждения, то на диаграмме можно нанести еще ряд линий, определяющих достижение усталостной трещиной заданной длины.
На рис. 20 приведены типичные примеры разрушения деталей машин. Хрупкое разрушение валков прокатного стана (рис. 20, а) 82
произошло в результате возникновения недопустимых нагрузок, которые, в свою очередь, возникли из-за большого износа опор [127].
Усталостная поломка вала (рис. 20, б) и зуба шестерни (рис. 20, в) произошла из-за повышенной концентрации напряжений, связанной с ошибками при конструировании и изготовлении, или в результате возникновения повышенных циклических динамических нагрузок при эксплуатации изделия. На характер поломки зубьев влияет распределение нагрузки по длине, вид зацепления, источник концентрации напряжений и другие факторы [891.
Усталостное разрушение материала не обязательно должно привести к поломкам детали. Возможно возникновение усталостных трещин, которые до определенных размеров незначительно снижают работоспособность изделия, и опасность представляет в основном возможность их быстрого роста, приводящая к снижению несущей способности изделия.
Рис. 19. Обобщенная диаграмма усталости (по В. С. Ивановой)
Рис. 20. Примеры разрушения деталей машин:
а — скол у валка прокатного стана; б — усталостная поломка вала; в ** усталостная поломка зуба шестерни; г — трещина в обшивке самолета; д — разрушение трубопровода гидросистемы; е — разрушение стенки кожуха камеры сгорания реактивного двигателя
Даже в таких ответственных конструкциях как обшивка фюзеляжа и крыльев самолета возникают трещины (рис. 20, г) [1851, распространение которых локализуют при регламентных работах или устраняют поврежденный участок, заменяя новым.
Следует подчеркнуть, что современные методы расчетов позволяют в ряде случаев оценить скорость развития трещин [1641 и, следовательно, указать период времени, в течение которого они будут находиться в допустимых пределах.
Местные разрушения могут проявляться на таких деталях, как трубопроводы гидросистем (рис. 20, д), когда из-за превышения допустимых значений давления или из-за понижения прочности материала детали, например под воздействием высоких температур, происходит местное вздутие, а затем и разрушение данного участка.
В ряде современных машин разрушение деталей может происходить в результате большой температурной и силовой напряженности, в которых они работают. Так, например, в/реактивных двигателях самолетов детали, образующие горячий тракт, — жаровые трубы, кожухи камер сгорания, форсажные камеры и др. — работают в условиях высоких температур, частых изменений теплонапряженности и действия вибрационных нагрузок, вызывающих переменные напряжения. На рис. 20, е показана трещина в стенке кожуха камеры сгорания реактивного двигателя, когда разрушению предшествовал прогар материала, газовая коррозия и абразивный износ стенок, а также накопление усталостных разрушений. Таким образом, разрушение материала, как проявление данного процесса старения, может являться следствием комплекса разнообразных необратимых процессов.
Наиболее характерным проявлением процесса старения материала является необратимая деформация детали. Рост деформации во времени приводит к постепенному изменению начальных параметров изделия, и при высоких требованиях к точности, которые характерны для современных машин, отказ наступает значительно раньше, чем будет исчерпана несущая способность детали.
Изменение деформации детали во времени связано, как правило, с возникновением на отдельных участках пластических деформаций. При снятии внешних нагрузок упругие деформации исчезают, а при наличии областей, претерпевших пластическое деформирование, процесс перегруппировки внутренних сил протекает более сложно, в результате чего возникают остаточные деформации.
Например, при длительной работе вала при наличии кратковременных перегрузок (что особенно характерно для коленчатых валов двигателей) вал постепенно деформируется, скручивается, а его ось теряет прямолинейность. Для восстановления работоспособности применяют такой технологический процесс, как правка (рихтовка), который может сопровождаться подогревом 84
изделия. Предельная допустимая степень деформации изделия зависит от его назначения и регламентируется ТУ.
Пластические деформации деталей, изменяющиеся во времени, особенно, если имеют место повышенные температуры, называются ползучестью. Ползучесть может привести к нарушению правильной работы изделия. Например, наблюдались случаи, когда вследствие ползучести диска и лопаток газовой турбины перекрывались зазоры, предусмотренные между лопаткой и корпусом, что приводило к поломке лопаток. Ползучесть проявляется в том, что соединения теряют начальный натяг, изменяется начальное взаимное положение деталей и их форма.
Деформация деталей может происходить и при напряжениях, находящихся в пределах упругости за счет перераспределения внутренних напряжений. Эти напряжения могут возникнуть в процессе отливки детали или при структурных превращениях. Так, коробление станин и других корпусных деталей станков может повлиять на точность станка, если не принять специальных методов обработки.
Если станина имеет закаленные направляющие, то процессы деформации вызываются также структурными превращениями в закаленном слое и релаксацией остаточных напряжений, возникших при закалке. Закаленные поверхности становятся вогнутыми, причем основная часть деформации (70—80%) происходит в первые 2—3 месяца.
Внутренние процессы, происходящие в материалах после их изготовления и изменяющие их структуру или состав фаз, влияют не только на деформацию изделий, но и могут привести к изменению механических, магнитных и других свойств.
Например, появление газопроницаемости или просачивание жидкости через стенку разервуара связано со структурными изменениями материала и приводит, как правило, к недопустимым повреждениям изделия.
К этой же категории относятся процессы засорения или изменения свойств жидкостей и газов, если они являются рабочими элементами машины. Например, засорение масла гидросистем или топлива двигателей, изменение свойств газа амортизаторов и т. п.
3.	Процессы разъедания^ При взаимодействии поверхности детали с внешней средой в поверхностном слое могут происходить разнообразные процессы старения, для которых характерна либо потеря исходного материала, либо присоединение нового материала из окружающей среды.
В первом случае будет происходить разъедание поверхности (рис. 21) в результате нижеперечисленных процессов. Коррозия металлов и сплавов представляет собой их разрушение в результате химического или электрохимического действия среды. Разрушение всегда начинается с поверхности детали. Различают атмосферную, электрохимическую и газовую (химическую) кор-
85
Рис. 21. Примеры разъедания поверхностей:
а — щелевая коррозия цилиндра дизелей, возникающая под резиновым уплотнительным манжетом; б — участок корпуса топливофильтрующей центрифуги с интенсивным эрозионным износом; в — кавитация золотника плунжерного керосинового насоса;
е прогар автомобильного глушителя
Атмосферной коррозии подвержены внешние части машин при действии на них атмосферных осадков и влажного воздуха — кузова и кабины автомашин, обшивка самолетов и т. п. Атмосферная коррозия является по-существу одним из проявлений электрохимической коррозии, когда влажные газы и жидкие электролиты создают условия для протекания реакций окисления и восстановления (анодные и катодные реакции). Протеканию процессов электрохимической коррозии способствует неоднородность материала, когда отдельные участки поверхности обладают различными значениями электродного потенциала. Так, из-за отдельных включений, наличия пленок, различного напряженного состояния участков поверхности возникает большое число микро-гальванических элементов, генерирующих коррозионный ток.
Электрохимическая коррозия особенно характерна для подводных частей морских судов, установок химической промышленности, для машин при их хранении. Газовая (химическая) коррозия возникает при контакте металлов и сплавов с сухими газами или неэлектролитными теплоносителями. Типичными примерами этих процессов являются высокотемпературное окисление деталей газовых турбин, котельных топок, клапанов двигателей внутреннего сгорания.
Коррозия в сочетании с действием переменного напряжения может привести к коррозионной усталости материала. Такие элементы машин, как гребные винты судов, металлические канаты, рессоры, элементы гидронасосов часто подвергаются коррозионной усталости.
Одним из опасных видов коррозионного разрушения является растрескивание поверхности при одновременном действии коррозионной среды и статических или повторно-статических нагрузок. Склонность металлических поверхностей к разрушениям в активных рабочих средах определяется тремя основными факторами:
свойствами металла (исходными и измененными в результате технологического процесса), наличием в нем дефектов и неоднородностей;
86
напряженным состоянием материала изделия, которое определяет энергетические условия для возникновения процесса образования трещин;
воздействием среды, которая определяет активность коррозионных процессов, а также сопутствующие тепловые, эрозионные, кавитационные и другие процессы.
Влияние каждого из этих факторов определяет характер ведущего процесса разрушения поверхности—механического (влияние среды незначительно), сплошной коррозии (роль напряжений невелика), коррозионного растрескивания (одновременное действие активной среды и внутренних напряжений).
Вопросам коррозии и защиты от нее посвящена обширная литература [63].
При действии на поверхность детали потока газа или жидкости при определенных условиях (большая скорость потока, наличие в нем абразивных частиц и т. п.) может привести к «размыванию», эрозии поверхностного слоя. На поверхности появляются локальные пятна, выбоины, кратеры, царапины и т. п. Интенсивность повреждения при эрозии может быть значительной, если поток газа или жидкости обладает большой кинетической энергией и может создавать высокие напряжения в поверхностном слое.
Повреждение от эрозии в первый период развивается, как правило, с малой интенсивностью. Затем с повышением хрупкости поверхностного слоя из-за действия на него потока появляются микротрещины, и процесс разрушения протекает все с большей скоростью.
Процессы эрозионного разрушения поверхностей характерны, например, для деталей глубинных насосов, перекачивающих глинистые растворы или нефть, механизмов угольных комбайнов, распределителей гидравлических и топливных агрегатов и др. Часто процессы эрозии и коррозии протекают одновременно.
Характерным для деталей гидравлических машин является кавитация, когда в потоке жидкости создаются пузырьки пара и газа и при переходе в .область с более высоким давлением происходит конденсация пара и создаются условия для местного гидравлического удара. При этом воздействия на поверхность могут быть столь значительны, что появляются глубокие каверны, которые могут сливаться и создавать кратер или даже сквозное отверстие.
При определенных условиях процессы кавитации могут протекать весьма интенсивно, особенно, если они сопровождаются коррозионными явлениями, например при работе механизмов в морской воде. Кавитация наблюдается в гидронасосах, гребных винтах, гидротурбинах, трубопроводах и в ряде специальных систем 167, 162].
К процессам, приводящим к потере материала поверхности, относится также прогар, характерный для деталей, работающих в условиях высоких температур и соприкасающихся с горячей 87
струей газа. Этот процесс является одной из разновидностей эрозионно-коррозионных процессов, где, однако, главное влияние оказывают не частицы, находящиеся в потоке, а их тепловое воздействие. Этот вид повреждения характерен для жаровых труб и камер сгорания авиационных двигателей, выхлопных труб двигателей внутреннего сгорания и т. п. деталей.
4.	Процессы наростообразования.; Многие поверхности деталей машин, взаимодействуя с окружающей средой, претерпевают такие изменения, в результате которых происходит присоединение (нарост) материала и поверхность изменяет свою форму и свойства.
Налипание на поверхность посторонних частиц происходит в результате процессов адгезии, когезии, адсорбции, диффузии, в результате молекулярных взаимодействий, проявления различных химических связей и действия сил электрического происхождения. Типичным примером интенсивных адгезионных процессов является наростообразование на режущих поверхностях инструментов в процессе обработки металлов. В результате действия в зоне резания высоких температур и давлений облегчается молекулярное взаимодействие между материалами инструмента и сбегающей стружки и на поверхности инструмента (например, резца) образуется характерный нарост (см. рис. 24, к), который изменяет режущие свойства инструмента и оказывает решающие влияния на его стойкость (долговечность). Нарост часто проявляется в виде загрязнения фильтров (рис. 22, а), внутренних стенок корпусов редукторов, открытых поверхностей (рис. 22, б).
Наростообразование может происходить одновременно с другими процессами. Так, например, корпуса морских судов одновременно с коррозией обшивки подвергаются интенсивному наращиванию различных водорослей и микроорганизмов, что изменяет параметры судна (его ход).
В отдельных случаях налипание носит специфический для данных условий работы деталей характер и проявляется, например, в виде нагара на свечах двигателей внутреннего сгорания (рис. 22, в).
Рис, 22. Примеры нароста постороннего материала на поверхность детали: а фильтры » чистый и загрязненный (засмоленный); б — загрязнение поверхности фары; в «=> нагар на автомобильной свече; а а» облитерация *=• эаращивание каналов 88
Для гидравлических систем, имеющих малые проходные сечения, часто происходит процесс заращивания каналов, так называемая облитерация. Этот процесс связан с соударением и слипанием твердых частиц и примесей в жидкости и их налипанием на стенки гидроканалов. Процесс облитерации зависит от вязкости масла, наличия полярных молекул, способных удерживаться на стенках каналов, концентрации и размера примесей в масле, активности поля поверхности гидроканала и других факторов (рис. 22, г).
Поскольку сильное сцепление со стенкой канала проявляется для слоев толщиной в несколько микрон, явление облитерации особенно опасно для малых сечений гидроканалов (например, в дроссельных золотниках).
В результате изменяется расход жидкости через канал, изменяется давление в системе, что может привести к параметрическому отказу системы или даже к отказу ее функционирования.
При взаимодействии поверхности детали с окружающей средой часто происходят такие процессы, которые не вызывают ни налипания, ни удаления материала, а лишь изменяют геометрические и физические свойства поверхности — ее шероховатость, твердость, отражательную способность, напряженное состояние (см. гл. 2, п.2) и т. п.
5.	Процессы старения, протекающие при контакте поверх-ностей5 Наиболее характерные для машин процессы старения протекают при контакте двух поверхностей, особенно если имеет место их относительное перемещение. В этом случае, как правило, происходит износ поверхностей.
Изнашиваются направляющие элементы (подшипники и направляющие скольжения и качения), поверхности трения фрикционных муфт и тормозов, зубчатые, винтовые, червячные и другие передачи, цилиндры и поршневые кольца, кулачковые и кулисные механизмы, шарниры, оси и многие другие детали машин.
Износ — это результат процесса постепенного изменения размеров детали по ее поверхности при трении. Если речь идет о процессе разрушения поверхности, то применяют термин «изнашивание».
Раскрытию механизмов и физической сущности изнашивания посвящено много работ (см. часть П).
Износ включает не только истирание поверхностей, связанное с удалением материала со всей поверхности трения, но и смятие — когда имеет место перемещение материала под действием сил трения, и усталость поверхностных слоев, когда под действием контактных нагрузок возникают локальные очаги разрушения поверхности. Основные виды износа связаны главным образом с характером контакта поверхностей и их относительного движения.
В табл. 7 приведены наиболее характерные виды повреждений, возникающие в результате взаимодействия двух поверхностей.
89
Таблица 7
Виды повреждения при взаимодействии поверхностей
Если нет относительного перемещения поверхностей, то это, как правило, вызывает их смятие (пластическую деформацию). Смятие поверхностей является характерным видом разрушения шпоночных, зубчатых (шлицевых) соединений, упоров и штифтов, осей цепных передач, резьбовых соединений и других деталей машин.
Относительное скольжение поверхностей вызывает их износ. При этом влияние пластических деформаций, сопровождающих изнашивание, может быть уменьшено или почти устранено путем повышения твердости элементов пары.
При малых относительных перемещениях сопряженных деталей возникает специальный вид износа, который называется фреттинг-коррозией (см. гл. 5, п. 1).
При начальном касании поверхностей по линии или в точке имеется большее число вариантов относительного перемещения тел.
Качение без скольжения (обкатка) двух тел, как правило, вызывает усталость поверхностных слоев, которая проявляется в виде отслаивания мелких частиц металла с поверхности контакта. Это относится, например, к подшипникам качения, роликам кулачковых механизмов. При недостаточной твердости материалов и больших удельных давлениях наблюдается также смятие.
90
При качении с относительным скольжением, как это имеет место в зубчатых передачах, наблюдается износ и усталость, а в ряде случаев и смятие поверхностей. Зона усталости расположена там, где относительное скольжение минимально или равно нулю '(в зоне начальной окружности зуба). Зона более интенсивного износа расположена в местах большего относительного скольжения (головка и ножка зуба).
Таким образом, каждому виду взаимодействия поверхностей соответствует наиболее характерный вид повреждения.
Следует иметь в виду, что при износе так^ке происходят коррозия, адгезия и другие физико-химические процессы, которые приобретают специфические черты в результате взаимодействия двух поверхностей.
Влияние износа на надежность машин настолько велико, что ему посвящен специальный раздел книги (см. часть II).
При контакте поверхностей, если износ и не проявляется в течение некоторого периода времени, может произойти изменение условий контакта: изменение площади контактирующих поверхностей, глубины взаимного внедрения микровыступов, разрыв масляной пленки и другие, что, в свою очередь, изменит выходные параметры сопряжения — коэффициент трения, контактную жесткость и др.
Например, для крепежных деталей колебание или уменьшение сил трения может привести к ослаблению начальной затяжки и нарушению нормальной работы изделия. Повышение коэффициента трения в прецизионных узлах, например в опорах гироскопов, может явиться причной их отказа.
Рассмотренная классификация процессов старения говорит об их большом разнообразии и сложности физико-химических явлений, определяющих интенсивность данного процесса.
4.: Оценка степени повреждения материала детали
1.	О необходимости численной оценки степени повреждения^ Как было показано выше, внешним проявлением какого-либо процесса старения является повреждение всей детали или ее поверхности. Для того чтобы оценить запас надежности детали, необходимо численно определить степень ее повреждения.
Простая констатация наличия того или иного повреждения не позволит проследить ход данного процесса старения и дать прогноз о времени наступления отказа. Напомним (см. гл. 1, п. 3), что изменение выходного параметра изделия зависит от степени повреждения материала изделия, к которому привел данный процесс старения.
Численная оценка величины повреждения материала детали является достаточно сложной задачей:
наблюдается большое разнообразие видов повреждения (см. табл. 6),
91
повреждение может относиться к объему материала или к его поверхностным слоям;
повреждение может распространяться на весь объем материала или на всю поверхность детали, а также носить локальный характер (полное и локальное повреждение);
величина, оценивающая степень повреждения, должна быть связана с изменением выходных параметров изделия.
Существуют два основных метода оценки степени повреждения.
При первом методе выбираются численные критерии для непосредственного измерения величины повреждения изделия, например величина деформации детали, ее линейный или весовой износ, глубина и размеры каверн при локальном разрушении поверхности, и т. п. Однако во многих случаях, особенно при локальных видах повреждения, бывает трудно непосредственно оценить степень повреждения.
В этом случае применяют второй метод, когда о повреждении судят по изменению выходного параметра.
Например, при местных повреждениях тела детали или при возникновении пластических зон о степени повреждения судят по потере несущей способности (прочности); о локальных повреждениях золотника гидросистемы судят по падению давления и т. п.
Такой метод оценки, хотя и находит широкое применение и часто обладает несомненными достоинствами в общем случае не желателен, так как между степенью повреждения и данным выходным параметром изделия имеется своя функциональная или стохастическая зависимость, которая искажает информацию о ходе процесса старения. Кроме того, повреждение может оказать влияние на ряд выходных параметров, по-разному изменяющихся во времени, и, наоборот, данный параметр может изменяться (и это является наиболее типичным случаем) в результате различных повреждений элементов изделия. Более желательно непосредственно численно оценить величину повреждения и затем связать ее с выходными параметрами. Если оценена степень повреждения детали U, то изменения, происходящие в материале при его старении, определяют скорость процесса повреждения dU
Наибольшие трудности обычно возникают при оценке степени повреждения поверхностей.
2.	Характеристики полного повреждения поверхностей^ Полное повреждение затрагивает всю поверхность или один ее участок, но в общем случае в результате разнообразных причин оно неравномерно поражает поверхность по глубине (рис. 23). Если это износ поверхности, то с различных участков удаляется неодинаковое количество материала, при сплошной коррозии разрушение основного материала также может быть различным по глубине, а при наростах характерно неравномерное налипание 92
Рис. 23. Схема полного повреждения поверхности
материала по исходной поверхности. Поэтому оценка степени повреждения поверхности может быть осуществлена двумя группами методов — инте
гральными, когда показатель оценивает суммарный эффект повреждения, и дифференциальными, когда оценивает степень повреждения в каждой точке или области данной поверхности.
Для оценки степени повреждения U пользуются геометриче-
скими, весовыми и физическими показателями.
К интегральным методам могут быть отнесены показатели, оценивающие потерю массы или объема поверхности в результате ее повреждения, например: износ детали по массе (обычно образца) ид (мг) —потеря массы со всей поверхности в результате износа; объемный показатель коррозии Uo (мм3) — объем поврежденного
или удаленного материала и т. п.
К этой же группе показателей следует отнести средние значения линейного износа поверхности Ucp или средний глубинный показатель коррозии. Аналогичные показатели могут применяться
и при явлениях нароста, где они оценивают количество не удаленного, а прибавившегося материала.
Однако интегральные методы оценки величины повреждения поверхности детали часто недостаточны для суждения по потере изделием работоспособности, потому что основную роль играет обычно степень неравномерности повреждения. Так, для оценки способности данного резервуара не давать течи важна не средняя величина коррозии, а ее максимальная глубина в любой точке поверхности. Для оценки потери точности металлорежущим станком важно знать не средний износ его направляющих, а форму их изношенной поверхности и т. п.
Поэтому более результативны дифференциальные методы оценки степени повреждения поверхности. К нйм относятся — линейный износ U (мкм) — изменение размера детали при ее изнашивании в направлении, перпендикулярном к поверхности трения. Аналогично применяется глубинный показатель коррозии, оценивающий уменьшение толщины металла в каждой точке (зоне) поверхности. Эти показатели являются функцией координат данной точки поверхности (х = I — длины, у = а — ширины), т. е. и — f (а, I) (см. рис. 23). Анализ этой зависимости позволит установить необходимые для данных условий численные показатели степени повреждения. Например, максимальный износ, неравномерность износа, износ сопряжения и др. (см. часть II).
При незначительной степени повреждения поверхности, когда она соизмерима с шероховатостью, о величине повреждения (на-ример, об износе) можно судить по изменению микрогеометрии поверхности (см. гл. 5, п. 4).
93
В ряде случаев повреждение поверхности связано с изменением не только ее геометрии, но и физических свойств — твердости, внутренних напряжений, структурных изменений и др. Изменение соответствующих физико-химических параметров поверхностного слоя может также служить показателем степени его повреждения.
Эти показатели будут особенно результативны, если они непосредственно связаны с выходными параметрами изделия, например, с его прочностью (несущей способностью), отражательной способностью, газопроницаемостью, жесткостью, коэффициентом трения и т. п.
3.	Виды локальных повреждений поверхностей. Локальные повреждения, которые охватывают лишь отдельные участки поверхности, более трудно поддаются численной оценке. Часто в инструкциях по эксплуатации машин для решения вопроса о возможности дальнейшей работы детали указывается: «недопустимы риски на поверхности» или «не должно быть местных забоин и вмятин». Такие указания дают широкий простор для субъективного суждения о работоспособности изделия и приводят, как правило, к повышенным ремонтным расходам. Для локальных видов также необходима численная оценка степени повреждения, по которой можно судить о близости изделия к его предельному состоянию.
На рис. 24 дана классификация и примеры локальных повреждений поверхностей для наиболее распространенных процессов — усталости, разъедания, износа и нароста. Они разделены на три категории — повреждения, характерные для нормальных условий эксплуатации, интенсивные повреждения, которые возникают либо при более тяжелых условиях и режимах эксплуатации, либо после определенного периода работы изделия и, наконец, единичные повреждения, поражающие ограниченную часть поверхности и возникающие часто при внезапных отказах.
При контактной усталости рабочих поверхностей зубьев зубчатых передач под действием касательных напряжений трещины начинают развиваться с поверхности, хотя при нормальных нагрузках, согласно теории Герца, зона максимальных напряжений находится ниже поверхности контакта.
Выкрашивание (питтинг) рабочей поверхности начинается обычно на ножке зуба около полюсной линии, где появляются мелкие оспинки (рис. 24, а).
Если разрушение поверхности происходит в результате возникновения трещин под упрочненным поверхностным слоем, то возникают трещины интенсивного выкрашивания, которое часто называют отслаиванием (рис. 24, б).
При концентрации нагрузок в отдельных зонах поверхности зуба, например из-за деформации валов и зубчатых колес, возможны отдельные зоны контактных разрушений поверхности (рис. 24, в).
94
Рис. 24. Классификация локальных видов повреждения поверхностей
При различных процессах разъедания поверхностей также часто возникают локальные повреждения. Так, при коррозии (рис. 24, г) наблюдаются такие ее локальные виды, как коррози* онное растрескивание, межкристаллитная, щелевая, контактная и питтинговая коррозия.
Пример интенсивного локального разрушения поверхности от эрозии показан на рис. 24, д, где на чугунном поршневом кольце Двигателя из-за прорывов газа и интенсивного местного нагрева отдельные частицы материала размягчались и уносились потоком
95
Кавитационные явления в насосах и других элементах гидросистемы часто приводят к образованию каверн. Так, для регулируемых поршневых гидронасосов характерно образование отдельных каверн на перемычке между полостями всасывания и нагнетания (рис. 24, е).
При изнашивании поверхностей наряду с распространением износа на всю поверхность трения наблюдаются его локальные виды, которые обычно относятся к недопустимым видам повреждений. Например, на тормозных барабанах наблюдаются риски (рис. 24, ж) как результат недостаточной защиты поверхности трения от загрязнения. В золотниковых и плунжерных парах гидросистем в результате схватывания, когда появляются молекулярные силы взаимодействия, возникают задиры в виде локальных разрушений поверхностей (рис. 24, з) [107I. Задиры могут проявляться и в виде единичных повреждений, когда имеет место лавинообразный процесс разрушения (рис. 24, и). Локальные повреждения, связанные с наростом материала, могут проявляться либо в зонах наиболее интенсивной напряженности изделия, как, например, у режущих кромок металлорежущего инструмента (рис. 24, к), либо при явлениях переноса металла (рис. 24, л), В ряде случаев наблюдается налипание на работающую поверхность детали посторонних частиц (рис. 24, м).
4.	Методы оценки локальных повреждений.; Большое разнообразие размеров и конфигурации локальных повреждений и топографии их расположения на поверхности затрудняет выбор таких численных характеристик степени повреждения, по которым можно было бы судить об изменении выходных параметров изделия. Применяемые интегральные методы, хотя и более просты, но дают меньшую информацию о тех изменениях, которые претерпевает поверхность изделия в процессе эксплуатации.
К ним относятся: процент поврежденной площади, среднее число повреждений (дефектов) на единицу площади, размеры (площадь, глубина) наибольшего повреждения или средние значения повреждений и др.
Эти показатели в какой-то мере характеризуют степень повреждения без дифференциации параметров отдельных локальных повреждений и их распределения по рабочей поверхности.
В практике ремонтных служб находят применение нормативы на предельную степень повреждения по одному из вышеперечисленных критериев.
Например, при оценке степени изношенности прецизионных деталей топливной аппаратуры дизелей для иглы распылителя форсунки при помощи лупы осматривают нижнюю часть штифта, прилегающую к распылительному концу. Продольные риски на штифте иглы не должны превышать 1/3 всей длины штифта, в противном случае распылитель выбраковывается [41.
96
Рис. 25. Оценка степени повреждения с использованием закона распределения размеров локальных повреждений
Более полную информацию о локальном повреждении дают дифференциальные характеристики, которые оценивают разнообразие и число повреждений, а также их распределение по поверхности трения. Так, в ряде случаев полезно применение законов распределения размеров локальных повреждений, которые позволяют судить, какой процент повреждений данного размера встречается среди всех имеющихся, Это особенно важно знать, если на выходные параметры изделия оказывает влияние размер (глубина, площадь) отдельных повреждений.
В качестве примера на рис. 25, а приведены два закона распределения площадей повреждений 8.
Закон 2 соответствует случаю большего числа повреждений малого размера по сравнению со случаем 1.
Если допускаются повреждения, меньшие некоторого предельного размера 8ДОП, то должны учитываться лишь повреждения с размером 8 > Эдоп. При общей одинаковой площади дефектов (повреждений) их учитываемая часть будет различной для законов 1 и 2 и S21 > 822-
Если по условию именно эти площади оказывают влияние на выходной параметров не суммарная площадь всех дефектов S2, то срок службы Т до'предельного состояния 8шах (рис. 26, б) будет значительно различаться для рассматриваемых вариантов: Л При суждении о сроке службы Т по характеристикам или 821 изделие 2 будет выбраковано (прекращена его эксплуатация) намного раньше, чем оно действительно потеряет свою работоспособность.
Данный пример говорит о необходимости дифференцированной оценкиразличных видов локальных повреждений с учетом требований, предъявляемых к выходным параметрам изделия.
б. Оценка степени повреждения по выходным параметрам изделия. Как было сказано выше, о потере изделием работоспособности, особенно при локальных повреждениях, можно судить
Проников А. О.	97
по его выходным параметрам, минуя этап численной оценки степени повреждения. Это можно представить схемой:
Так, о степени повреждения поверхности затворов клапанов и распределителей гидравлических систем можно судить по возрастанию утечек, по падению давления или по возрастанию коэффициента трения.
О степени повреждения многих узлов трения можно судить по возрастанию температуры и коэффициента трения. Именно так, например, устанавливают предельное состояние при испытании на долговечность подшипников качения.
Для деталей, несущих рабочие нагрузки, выходным параметром, определяющим их работоспособность, является их жесткость и прочность (несущая способность), изменение которых позволяет судить о ходе процесса разрушения. Например, несущая способность конструкции определяет ее стойкость к таким процессам, как коррозия или длительные тепловые воздействия.
Для резервуаров, трубопроводов и другой гидро- и пневмоаппаратуры о процессе старения можно судить по основному выходному параметру — герметичности.
г Оценка степени повреждения по выходным параметрам изделия часто применяется для сложных механизмов, когда на эти параметры влияет несколько процессов, протекающих в различных элементах конструкции.
Например, при оценке потери работоспособности насоса как результата износа ряда его элементов (плунжеров, клапанов и др.) измеряют такие его характеристики, как производительность, давление, создаваемое на выходе, равномерность подачи жидкости и др.
Часто при таких и аналогичных испытаниях создается иллюзорное впечатление о полностью раскрываемых причинах потери изделием работоспособности.
В действительности первопричины изменения выходных параметров остаются невыясненными, так как они являются следствием комплекса явлений. Такая оценка позволяет указать уровень надежности того или иного изделия, а не основные пути повышения его работоспособности. Поэтому оценка степени повреждения изделия по выходному параметру, как правило, является вынужденной, поскольку возникают трудности непосредственной численной оценки степени повреждения элементов изделия. 98
Таблица 8
Показатели степени повреждения материала изделия
Повреждение		Метод оценки степени повреждения		
		интегральный	дифференциальный	по выходным параметрам изделия
Глубинное		Ослабление сечения трещинами (фак-_ тическая площадь сечения). Суммарная деформация детали.	Число дислокаций	в опасном сечении	Размер трещин и их распределение. Эпюра деформаций. Распределение дислокаций по объему детали	Потеря несущей способности детали
По-вер х-ност-ное	Полное	Весовой износ Средний износ Объемный показатель коррозии	Линейный	износ поверхности. Глубинный показатель коррозии. Изменение твердости по поверхности	Изменение температуры, коэффициента трения, утечек, плотности, давления, вибраций
	Локальное	Суммарная площадь повреждения. Число дефектов на единицу площади. Размеры наибольшего повреждения	Законы распределения параметров, характеризующих отдельные повреждения. Плотность повреждения на	отдельных участках поверхности	
Выходные параметры любого изделия являются основными его характеристиками, и их изменение при эксплуатации машины должно быть связано со степенью повреждения отдельных элементов и объяснено теми процессами старения, которые в них протекают.
Рассмотренные показатели для оценки степени повреждения изделия сведены в табл. 8.
5. Типовые закономерности протекания процессов старения во времени
Классификация временных закономерностей процессов старения. Оценка скорости протекания процесса повреждения детали Во времени у «= является необходимым этапом при решении
4*	99
задач надежности. Зная временною характеристику у (/) можно определить степень повреждения как функцию времени, т. е.
t
(11) о
которая, в свою очередь, будет определять изменение во времени и выходного параметра изделия (см. гл. 2, п. 4 и гл. 3 п. 1). Поскольку при старении рассматриваются необратимые процессы повреждения, то зависимость (11), как правило, будет являться монотонно неубывающей функцией. Исключение могут составить случаи, когда степень повреждения характеризуется изменением какого-либо физико-химического фактора, оценивающего свойство материала: твердости, предела прочности, химического состава, структуры и т. п.
В этом случае величина повреждения U может как возрастать, так и убывать, а скорость этого процесса — менять знак.
Следует еще раз подчеркнуть, что все процессы старения являются случайными и рассматриваемые закономерности их протекания — это математическое ожидание данной случайной функции или ее реализация.
В табл. 9 представлены типовые закономерности протекания процессов старения во времени. Они относятся к одностадийным процессам, когда в течение рассматриваемого периода не происходит изменение физико-химической картины процесса.
Наиболее просто протекают стационарные процессы, когда скорость процесса постоянна или колеблется относительно среднего значения. Это происходит в том случае, если все факторы, влияющие на скорость процесса, стабилизировались и нет причин, изменяющих интенсивность процесса. Зависимость U (/) имеет обычно линейный или близкий к нему характер. Такая закономерность характерна для установившегося периода износа, для некоторых видов коррозии и других процессов. Если при старении возникают факторы, которые интенсифицируют или, наоборот, замедляют скорость его протекания, т. е. скорость процесса у изменяется монотонно, функция U (t) будет иметь нелинейный вид и соответственно описывать интенсификацию или затухание процесса повреждения материала изделия. Например, увеличение износа сопряжения приводит к росту зазоров и соответственно к повышению динамических нагрузок, которые интенсифицируют процесс (см. гл. 2, п. 3). Таким образом, ход процесса в этом случае связан с тем, что его скорость зависит не только от внешних факторов, но и от степени повреждения U. Поэтому сам процесс (его результат) влияет на интенсивность дальнейшего его протекания. Это условие может быть записано как
= /(У).	(12)
100
Таблица 9
Типовые закономерности протекания во времени процессов старения
Процесса (по у-харак» теристике)		... ш »<'>—ЗГ		!/(/)		Примеры
Ста-цио-нар-ные	Посто- янные	г	t	t		Износ U = kt
	Псев-доста-цио-нар-ные	г	t	t -		Износ при переменных режимах
Монотонные	Возрастающие	t		t		U — ktn\ п>1 Л (е^ _ 9 Износ при засорении поверхностей
	Убывающие	t		t		Износ в период приработки, распад мартенсита U = ktn\ п< 1 U = А (1 — е~к/)
Экс-тре-маль-ные	С максимумом	г	t	и	t	Коррозия, коробление у= at е~ы
	С ми-ни-му-мом	г	t	и	t	Ползучесть, износ, -коррозия
С запаздыванием		г	t	и	t	Усталость, хрупкое разрушение
Знакопеременные		г		'Ь-t		Изменение механических характеристик
101
Например, некоторыми исследователями установлено [164], что скорость роста усталостной трещины зависит от ее длины. Есть примеры аналогичного подхода и к оценке скорости изнашивания сопряжений.
При линейной зависимости у от U, т. е. при
-^-=c±kU,	(13)
интегрированием этого уравнения получим экспоненциальную зависимость для величины повреждения как функции времени.
При положительном k
(7 —Л(е*^ —1);	(14)
при отрицательном k
(15)
Данная зависимость имеет место, когда проявляется масштабный эффект — величина повреждения влияет на ход процесса.
Данная экспоненциальная зависимость [уравнения (14) и (15)] часто используется для описания закономерностей протекания различных процессов.
В некоторых случаях, когда на скорость процесса одновременно действует ряд равноценных факторов, которые претерпевают изменение во времени, зависимость у (t) может иметь экстремум (максимум или минимум), что характерно, например, для некоторых видов коррозии [196], для процессов, коробления и др. В этом случае функция U (/) имеет точку перегиба. При достижении максимума и последующем падении у до нуля процесс повреждения прекращается. Такая зависимость характерна, например, для перераспределения внутренних напряжений и деформаций в отливках в процессе их эксплуатации. После определенного периода, который иногда длится несколько лет, коробление отливки прекращается.
Существует определенная категория процессов, для которой вначале происходит накопление каких-то внутренних повреждений, а затем с некоторым запаздыванием начинается процесс. Такая картина характерна при использовании зависимости между степенью повреждения и причинами ее вызывающими, не полностью отражающей внутренние связи. Хотя процесс повреждения начинается сразу, параметры, оценивающие его величину, проявляются несколько позже. Например, при усталостных разрушениях материала трещины зарождаются лишь после определенного числа циклов нагружения.
Если скорость процесса меняет знак, что характерно для сложных физико-химических процессов, протекающих в материале, то функция U (/), характеризующая степень повреждения, будет иметь экстремум.
102
Рис. 26. Примеры временных зависимостей процессов повреждения:
а — износ режущего инструмента (Т15К6); б — химическая коррозия; в — старение смазок; г — ползучесть металла; д — старение алюминиевого сплава; е—ползучесть стали; ж — развитие трещин; а  изменение размера образцов из легких сплавов
2.	Примеры временных зависимостей, описывающих процесс повреждения. Рассмотрим в качестве примеров ряд зависимостей, описывающих процесс повреждения, и проанализируем причины, влияющие на скорость процесса.
Наиболее распространена линейная зависимость U = kt, характерная, например, для многих видов установившегося износа. Если процесс протекает интенсивно ина него действует ряд факторов, то линейная зависимость соблюдается приближенно. Примером может служить износ металлорежущего резца из твердого сплава Т15К6 при обработке стали 40Х (рис. 26, а) [НО]. Здесь степень повреждения U оценивается шириной фаски износа h по задней грани.
Разнообразные процессы повреждения наблюдаются при химической коррозии металла, когда не него действуют сухие газы или жидкие неэлектролиты [63].
Скорость химической коррозии металла определяется или скоростью самого кристаллохимического процесса образования
103
пленки, или скоростью встречной двусторонней диффузии через пленку действующего реагента и металла. Зависимость толщины пленки от времени в общем виде определяется следующим уравнением, предложенным Эвансом:
-/-+-^- = 2с0/,	(16)
Лдиф ка
где у — толщина пленки, которой оценивается степень повреждения поверхности; ^диф — коэффициент диффузии; kc — постоянная скорости химической реакции образования пленки (соединения металла с действующим реагентом); с0 — концентрация действующего реагента на внешней поверхности пленки; i — время.
Эванс при выводе уравнения исходил из диффузии реагента (кислорода), однако вывод уравнения существенно не изменится, если исходить из диффузии через окисную пленку главным образом ионов металла.
Для очень тонких пленок и пленок с весьма малой защитной 2# способностью первый член мал по сравнению с членом и им можно пренебречь.
В этом случае получим линейную зависимость z
!/«*ccot	(17)
Таким образом, при малой толщине пленки скорость роста пленки обусловливается кристаллохимическим превращением.
у2
Если пленка достаточно толста, то член — будет больше 2у	Лдиф
члена и последним можно пренебречь. Выражение в этом случае принимает вид параболического уравнения
(18)
Таким образом, при очень большой толщине пленки скорость роста пленки определяется диффузией.
Для средней толщины пленок применимо уравнение (16).
Опытные данные роста пленки для ряда случаев химической коррозии охватываются параболическим уравнением n-го порядка У1 = 2£дифс0/,	(19)
где показатель п может быть 2 и больше, или уравнением логарифмического вида» например
y=*k\gt + k0'	(20)
Таким образом, рост пленок на металлах идет обычно по линейному, параболическому или логарифмическому закону (рис. 26, б), что соответствует типовым кривым для стационарных и монотонных процессов (см. табл. 9).
104
В реальных процессах химической коррозии металлов часто наблюдаются явления (например, нарушение сплошности пленки из-за роста внутренних напряжений), усложняющие зависимости, по которым идет процесс роста пленки.
Примером монотонных зависимостей может служить старение смазок, что связано главным образом с их окислением. Так, в узлах трения миниатюрных приборов (например, часов) создаются неблагоприятные условия с точки зрения окисления смазок, так как детали смазываются небольшими дозами без пополнения и имеет место взаимодействие с металлом и окружающей средой. На скорость окисления масла большое влияние оказывает его состав (рис. 26, в). Как показали исследования [211 ], поглощение кислорода Q (МПа/г), которое и характеризует степень повреждения (старения) масла, протекает со значительно меньшей интенсивностью при наличии присадок.
Примером убывания скорости процесса во времени может служить следующая зависимость для скорости коррозии алюминия:
Т = 4т.	(21)
где а и в — постоянные.
Уменьшение -у со временем связано с тем, что образование при воздействии атмосферы твердых и плотных окислов алюминия препятствует дальнейшему проникновению кислорода и скорость коррозии постепенно уменьшается.
Изменяющуюся скорость процесса с наличием экстремума и соответственно зависимость U (/) с точкой перегиба можно наблюдать на примере кривых ползучести стали. Эти кривые дают зависимость от времени полных или пластических деформаций образцов при постоянных напряжениях и температуре.
При нагружении образца его деформация гс вначале быстро возрастает, а после прекращения роста нагрузки образец будет изменять свои. размеры по закону, который формируется как сумма деформаций, возникших при нагружении, и пластической деформации, образовавшейся в результате ползучести металла. Примеры кривых ползучести для стали ЭИ756 при температуре 600° С приведены на рис. 26, г [111]. Аналитически обычно оценивают скорость пластической деформации 5 —
Для среднего участка кривой ползучести как функцию напряжения о, считая, что от времени на этом участке она не зависит. Однако такой прием не позволяет полностью оценить ход процесса.
Отыскание аналитических зависимостей для различных процессов старения является целью многих исследований. Например, обнаружено, что распад мартенситной структуры в закаленных сталях и других сплавах подчиняется экспоненциальному закону.
105
Мартенсит, который для сталей является пересыщенным твердым раствором углерода в a-железе, под влиянием температуры распадается — происходит выделение углерода из решетки а-же-леза. Этот диффузионный процесс может быть описан следующим дифференциальным уравнением:
T = i0“(^-v)exp(-O>
(22)
где V — объем участков материала (образца) обедненных мартенситом; kV0 — часть объема образца, котррая может'подвергнуться распаду; Еа = 33 000 кал/моль — энергия активации распада мартенсита.
Интегрируя данное уравнение, получим
V = V<^[1 — е~'е’₽ (»)].
(23)
Таким образом, протекание процесса распада мартенсита во времени подчиняется экспоненциальному закону, а интенсивность этого процесса, т. е. числовой коэффициент при t, в сильной степени зависит от температуры 0 также по экспоненциальной зависимости.
В данном уравнении степень повреждения оценивается объемом зон V, подвергнутых распаду, т. е. U = V.
Во многих случаях аналогичные процессы оцениваются по изменению механических характеристик материала, при его старении. Так, старение^ алюминиевых закаленных сплавов, при котором происходит их упрочнение, характеризуется повышением предела прочности Ов, т. е. U = Ов. Типичная кривая протекания этого процесса во времени показана на рис. 26, д.
При естественном старении (без повышенной температуры) стабилизация свойств (ов « const) наступает через 4—5 суток. Начальный период кривой характеризуется отсутствием или слабым повышением прочности. Это так называемый инкубационный период продолжительностью 2—3 ч, который важен для технологических целей, так как сплав в это время сохраняет способность к пластической деформации. Таким образом, данная временная зависимость иллюстрирует процесс с запаздыванием (рис. 26, д) и последующей стабилизацией свойств. Степень повреждения U s* ов здесь с позиций прочности — положительное явление, что, однако, не противоречит основному определению повреждения, как всякому отклонению контролируемых свойств материала от начальных.
Следует иметь в виду, что характер протекания повреждения во времени в ряде случаев может зависеть от выбранной характеристики степени повреждения. Так, если старение железоуглеродистых сплавов характеризовать изменением твердости U = HRB, то кривые U (/) при температурах до 40° С будут близки к экспо-106
ненте, а при повышенных температурах иметь максимум (рис. 26, е), т. е. относиться к знакопеременным процессам табл. 9.
Процессы с запаздыванием начала повреждения характерны для усталостных разрушений. Так, например, исследование возникновения и развития трещин показало, что в начальный период работы конструкции они не обнаруживаются (рис. 26, ж), а затем развиваются по экспоненциальному закону

0 при t < /0; аер< при
(24)
где I — длина трещины; — порог чувствительности (случайная величина); аир — параметры закона.
В ряде случаев, как показывает испытание натурных конструкций, скорость развития появившейся трещины можно считать в начальный период постоянной, так как в статически неопределимых конструкциях при возникновении трещины происходит перераспределение напряжений и уменьшение нагрузки на поврежденный элемент.
Если в процессах с запаздыванием время до начала процесса (порог чувствительности) является основным периодом эксплуатации изделия, а сам процесс протекает с большой интенсивностью, то такое явление воспринимается обычно как спонтанный (самопроизвольно возникающий) процесс. Так, хрупкое разрушение металлов, схватывание при трении и ряд других процессов носят лавинообразный характер и возникают после накопления внутренних повреждений или при наблагоприятном сочетании внешних воздействий.
В противоположность этим явлениям повреждение может проявляться в виде незначительных изменений свойств или состояния материала. Например, для многих металлических изделий может иметь место изменение со временем формы и размеров, что является следствием двух факторов — нестабильности фазового и структурного состояния материала и релаксации остаточных внутренних напряжений [214]. В деталях из сплавов со стабильным фазовым составом изменение размеров связано лишь с релаксацией внутренних напряжений, возникающих в процессе их обработки. Для многих точных машин и приборов размерная нестабильность не должна превышать 10"6 — 10"7 мм/мм при их длительной эксплуатации.
Характеристики размерной стабильности отличаются большой структурной чувствительностью — факторы, практически не оказывающие влияния на прочностные свойства материала, в ряде случаев приводят к значительному снижению сопротивляемости микропластическим деформациям, определяющим размерную стабильность материала. В качестве примера на рис. 26, з показано изменение размеров пальчиковых образцов из алюминиевых и магниевых сплавов при температуре 100° С [214]. Как 107
видно, структурные превращения могут привести и к удлинению и к сокращению образца. Наибольшей интенсивностью изменения размеров характеризуется алюминиевый сплав АЛ8, в закаленном состоянии имеющий неравновесную структуру твердого раствора.
3.	Многостадийные процессы. При протекании различных процессов старения могут быть случаи, когда изменяется физическая сущность процесса и соответственно меняется и закономерность, описывающая данное явление. Такие процессы будем называть многостадийными. Для их описания, как правило, применяются свои законы для каждой стадии процесса у (/) и U (t).
Типичным примером многостадийного процесса может служить износ сопряжения, который состоит из трех участков — периодов приработки, установившегося и катастрофического износа. В пределах каждого периода имеет место своя специфика взаимодействия поверхностей, своя физика процесса (см. гл. 5, п. 2).
В ряде случаев процесс старения связан со значительным изменением скорости его протекания, как следствием сложных физико-химических процессов, протекающих в материале.
В качестве примера можно привести анализ процесса старения ненасыщенных полимеров (например, каучука) 1115). Данный процесс связан с поглощением кислорода из воздуха и последующим охрупчиванием полимера. Поэтому степень повреждения можно оценивать по количеству М поглощенного кислорода: U = М. Процесс имеет четыре стадии (рис. 27, а). Вначале (зона /) происходит интенсивное поглощение кислорода, что обусловлено протеканием химических реакций с участием реакционноспособных групп самого каучука. Затем (зона II) скорость процесса поглощения снижена до некоторого постоянного значения,, так как реакция замедлена ингибиторами. После того, как ингибитор израсходован, начинается активизация процесса (зона ///), реакция имеет автокаталический характер. Наконец, скорость процесса окисления снова снижается (зона IV). Поскольку к началу III стадии уже потеряны ценные свойства каучука (понижается прочность на растяжение, увеличивается хрупкость), наибольшее значение имеет рассмотрение двух первых периодов старения.
Во многих случаях многостадийность процесса повреждения возникает как следствие одновременного протекания нескольких процессов старения, которые взаимодействуют, или величины повреждения от каждого из процессов суммируются. В качестве примера на рис. 27, б показано формирование процесса U (t) из двух одностадийных процессов, когда повреждение оценивается ослаблением сечения детали из-за развития усталостной трещины Ui и в результате процесса коррозии [/2 (для случая, когда можно не учитывать их взаимодействия). Суммарная временная зависимость будет состоять из 'двух участков, причем 108
Рис. 27. Многостадийные процессы
y-dU/dt
второй период, когда начинает проявляться усталость, характеризуется более интенсивным ослаблением сечения и соответственно потерей конструкцией несущей способности.
В ряде случаев многостадийные процессы не имеют заметного деления на зоны, так как одновременно действующие факторы постепенно изменяют интенсивность своего влияния на процесс.
Примером, может служить зависимость, характеризующая изменение прочности полимерных пленочных материалов во времени под действием жидких сред, например воды (рис. 27, в). Как показали опыты 175 J, у целофана, полистирола, ПЭТФ и др. пленок в начальный период воздействия их прочность возрастает, а затем уменьшается, оставаясь все же выше исходной.
Эффект' повышения прочности в начальный период воздействия сред обусловлен спонтанной ориентацией структурных элементов полимера. Следующее затем падение прочности вызвано дезориентацией и ослаблением силы взаимодействия структурных элементов в результате увеличения микропористости. Возникающая спонтанная ориентация сохраняется после прекращения воздействия сред, что может быть объяснено релаксационной природой снятия локальных внутренних напряжений.
4.	Влияние режимов работы изделия на скорость процессов старения. Режимы работы изделия и соответственно уровень нагрузок, температур, скоростей, химических и иных воздействий
109
окружающей среды оказывает, как правило, существенное влияние на скорость протекания процессов старения. Так, скорость многих химических реакций, определяющих ряд процессов старения, в сильной степени зависит от температуры [см. уравнение (6)]. Температура также сильно влияет на прочностные свойства многих материалов, например жаропрочных сплавов [215]. Общеизвестно влияние нагрузок на несущую способность материалов при различных напряженных состояниях.
Так, длительная прочность материалов, работающих при повышенных температурах, оценивается напряжением, при котором образец при постоянной температуре не разрушается в течение заданного времени (/р = 100, 1000, 10 000 ч). При этом для жаропрочных сталей наблюдается степенная зависимость между временем до разрушения tp и постоянно приложенным напряжением а:
/р «= аа",	(25)
где а и п — постоянные.
Можно привести также примеры влияния нагрузок и скоростей относительного скольжения на скорость изнашивания поверхностей (см. гл. 5), состава атмосферы, в которой работает изделие — на процессы коррозии и т. п. Зависимость у от режимов является, как будет показано ниже, одной из основных причин проявления процессов старения, как случайных.
В ряде случаев для описания поведения материалов под нагрузкой во времени вводят так называемую функцию материала D (/, о). Здесь приложенное напряжение является основным параметром, характеризующим режим работы материала.
Например, ограниченная ползучесть целлулойда при о == = const хорошо описывается степенной функцией [20]
D(t‘t о) == Н- aamtn.	(26)
Существуют и другие формы аналитической аппроксимации реальных зависимостей D (t, о) логарифмическими, гиперболическими и другими функциями [163].
В общем случае вязко-упругий материал может иметь свойства «памяти» напряжений (эффект Кольрауша). Существует наследственная теория ползучести (старения), разработанная акад. Ю. Н. Работновым, например, для бетона и других материалов.
Зависимость скорости протекания данного процесса от режима работы в ряде случаев имеет сложный характер. Это является следствием различного влияния отдельных параметров [физического процесса на суммарный результат, а также изменения самого характера процесса, его многостадийности.
Типичным примером такой зависимости может служить -связь между стойкостью (сроком службы) твердосплавного металло-110
Рис. 28. Влияние скорости резания на стойкость твердосплавного инструмента (а) и скорость его изнашивания (6)
режущего инструмента и скоростью резания, как основным параметром режима.
На рис. 28 показана стойкость Т и скорость изнашивания у твердосплавного резца из ВК8 в функции скорости резания v при точении молибдена по исследованиям проф. Н. Н. Зорева [65].
Как видно из графиков, зависимость у = <р (и) имеет три зоны — в первой и третьей при повышении режима скорость изнашивания увеличивается, а вторая характеризуется уменьшением скорости процесса при интенсификации режима. Проф. Н. Н. Зорев объясняет это явление изменением физи
ческой сущности процесса изнашивания при достижении определенных значений скорости резания. При малых скоростях резания (до 35 м/мин) происходит адгезионный износ твердого сплава, при котором стойкость материала инструмента определяется его сли-паемостью с обрабатываемым материалом и способностью сопротивляться микроконтактным разрушениям. При этом с ростом ско-
рости размер частиц, отрываемых адгезионными силами, умень-
шается, так как повышение температуры резания приводит к повышению пластичности твердого сплава, и его сопротивление по отношению к адгезионному износу возрастает. В результате скорость изнашивания уменьшается (зона II).
Однако при дальнейшем увеличении скорости резания возрастание температуры в зоне контакта инструмента с деталью и стружкой приводит к изменению физической природы процесса изнашивания, когда основную роль начинают играть диффузионные процессы. Фазовые превращения в металле, разупрочнение границ зерен, пластическое течение контактных слоев, ослабленных диффузионными процессами, и другие явления приводят к возрастанию скорости изнашивания инструмента, которая для Данных условий имеет место, начиная со скоростей резания v *= = 100 м/мин (зона 111). Это возрастание происходит весьма интенсивно, так как скорость диффузии связана с температурой экспоненциальной зависимостью.
Наличие зон с разным характером и скоростью данного процесса, как правило, говорит об изменении физической природы
111
Рис. 29. Схема формирования реализации процесса старения при переменных режимах работы изделия
процесса и наличии критических точек, при которых происходит переход из- одного качественного состояния в другое.
Рассмотрим как при изменении режима работы изделия формируется конкретная реализация, описывающая процесс старения, на примере влияния температурного фактора (рис. 29). Пусть известно изменение температуры изделия во времени 0 (0 как результат условий и режимов его работы. В общем случае известны среднее значение температуры 0ср и закон ее распределения f (0). Рассматриваемая кривая 0 (0 есть одна из реализаций этого закона.
Изменение температуры оказывает влияние на скорость процесса старения у по закону, показанному на рис. 29, справа. Здесь может иметь место критическое'значение температуры 0К, выше которого скорость процесса значительно возрастает. При 0 =5 0ср ход процесса U (0 соответствует значению скорости процесса уср. Однако при колебании- температуры на отдельных участках происходит то ускорение (при 0 > 0ср), то замедление (при 0 < 0ср) протекания процесса. Особенно интенсивно процесс старения протекает в зонах, где 0 > 0К. Однако вероятность появления таких зон мала, что видно из закона f (0).
Оценивая влияние режимов на скорость процессов можно отметить, что если физическая сущность процесса не изменяется, то зависимость v=/ (Zr, ...,Zrt) (где Z —параметры режима) имеет монотонный характер (обычно это линейная, степенная илн экспоненциальная зависимости).
Если же при изменении режима меняется механизм разрушения или превращения материала, то влияние режима будет характеризоваться сложной зависимостью, которая будет состоять из отдельных зон, отражающих свой характер процесса старения. Так, влияние скорости относительного скольжения трущихся поверхностей на скорость изнашивания выражается зависимостью, которая имеет три зоны (см. рис. 13).
5.	Стохастическая природа процессов старения. Все рассмотренные выше функциональные зависимости, определяющие 112
протекание процесса старения, проявляются при эксплуатации изделий, как случайные процессы. Это связано с двумя основными причинами. Во-первых, начальные свойства материала и геометрические параметры изделия имеют рассеивание, так как являются продуктом некоторого технологического процесса, который может функционировать лишь с определенной точностью и стабильностью.
Так, на рис. 30, а и б приведены вероятностные характеристики прочности (предела прочности ов) для авиационного алюминиевого сплава АМГ6Н и толщины стенок Д фасонных профилей [23]. Как видно из гистрограмм, эти показатели имеют дисперсию и при аппроксимации нормальным законом оцениваются математическим ожиданием М и средним квадратическим отклонением а. Хотя материал и размеры сортамента и удовлетворяют техническим условиям, рассеивание данных показателей окажет влияние на ход процесса старения (например, на развитие усталостных трещин), и каждая реализация процесса будет отражать конкретные значения начальных параметров данного изделия.
Во-вторых, стохастическая природа процессов старения связана с широкой вариацией режимов работы и условий эксплуатации изделий. В результате зависимости, описывающие процессы старения, становятся функциями случайных аргументов — нагрузок, скоростей, температур и т. п.
В качестве примера на рис. 30, в и г приведены результаты статистических исследований по использованию зна!чений мощности и чисел оборотов для универсальных токарных станков [52 ].
О
Рис. 30. Рассеивание параметров изделия (а и б) и режимов эксплуатации (в и а)
113
Из графиков виден весьма широкий диапазон применяемых режимов, что непосредственно скажется на интенсивности процессов повреждения во всех звеньях привода станка.
Перечисленные причины, а также то, что сама природа процессов старения, как правило, весьма сложна и аналитические зависимости отражают явление лишь с определенной степенью приближения, приводят к необходимости применять для оценки данных процессов методы и характеристики случайных функций. Закономерности U (/), изображенные на рис. 26 и в табл. 9, начинались со значений U = 0 при t = 0, так как повреждение оценивалось, как отклонение некоторых свойств материала от начальных. Однако, если рассматривать не данную конкретную деталь, а их совокупность, то надо учитывать также вариацию начальных свойств, т. е.
t
4/ = С/|) + (/(П = С/о+|7(ПЛ,	(27)
О
где Uq — случайная величина, оценивающая начальные свойства материала (в тех же единицах, что и степень повреждения); U (0 — случайный процесс старения (повреждения).
В этом случае функция U (f) будет иметь вид, показанный на рис. 31, а, и оцениваться математическим ожиданием и корреляционной функцией.
Если рассматривается конкретный объект, у которого определены начальные свойства, то значение Uo превращается в неслучайную величину и ход процесса характеризуется лишь вторым членом (рис. 31, б).
Как известно [40], случайный процесс в пределах данной области может протекать различным образом. Так, может быть либо слабое, либо значительное переплетение (перемешивание) реализаций (рис. 31, в и г), что оценивается корреляционной функцией. При прогнозировании хода процесса старения могут быть два случая. Первый — когда рассматривается совокупность однородных изделий и для нее оценивается возможная область реализаций. В этом случае достаточно знать закон распределения f (U; t) или дисперсию случайной функции в каждый момент времени, которые и определят область ее существования. Здесь нет необходимости в использовании корреляционной функции.
Второй случай, когда прогнозируется ход данного конкретного процесса и необходимо с помощью корреляционной функции (или коэффициента корреляции) оценить возможные его вариации.
Так, для законов, показанных на рис. 31, в и а, области существования случайной функции, описывающей данный процесс повреждения, примерно одинаковы, так как математическое ожидание и дисперсия в каждом данном сечении t равны. Однако более сильная тенденция к перемешиванию реализаций во втором случае (рис. 31, а), которую можно оценить коэффициентом кор-114
Рис. 31. Процесс старения как случайная функция
реляции, отразится на возможном ходе процесса. Очевидно условия, в которых работает данное изделие, характеризуются более частыми изменениями режимов его работы и воздействий внешней среды.
Рассматривая процессы старения как случайные, часто удобно сводить их к более простым закономерностям, особенно если удается выделить часть, формирующую строхастическую природу в виде случайной величины или стационарной функции.
Аппарат теории случайных функций можно применять как к дифференциальной функции, выражающей скорость процесса у (0, так и к интегральной функции, описывающей изменение степени повреждения U (t).
Поскольку функции у (0 на порядок ниже, и, кроме того, именно скорость процесса определяется физикой явлений, чаще удобнее находить для нее аналитическое выражение через случайные функции. Зависимость у (0 как случайная функция может быть выражена в различных формах.
В ряде случаев процесс старения может быть описан в виде элементарной случайной функции [22]
7(0 ==Лф (0,	(28)
где А — случайная величина; <р (0 — неслучайная функция (математическое ожидание процесса).
Это наиболее простой тип случайной функции, так как здесь случайная природа явления заключена лишь в коэффициенте А.
115
Все реализации процесса будут отличаться только масштабом ординат.
Более полное описание таких процессов можно представить, выделив стационарный случайный процесс A (t):
у(/М(/)ф(/).	(29)
Данная зависимость описывает широкий круг процессов и она удобна тем, что теория стационарных случайных процессов разработана достататочно полно. Интересно отметить [22], что поскольку дисперсия случайного стационарного процесса постоянна D (f)} = const, то дисперсия данного процесса старения D {у (/)[ при возрастании функции у (t) будет возрастать, а при убывании — убывать (рис. 31, д и е). Если скорость процесса не зависит функционально от времени, то процесс (по отношению к у) будет стационарен. В еще более общей форме поведение скорости процесса старения может быть дано в виде [22]
т(О = Фо(О+Л(О*ф(0,	(30)
где ф0 (/) и <р (0 — некоторые детерминированные функции.
В наиболее общем виде случайную функцию можно представить используя метод канонического разложения, разработанный В. С. Пугачевым:
у(0«лМ0 + 2Лф/(0>	(31)
где (0 — математическое ожидание функции у (t); At — случайные коэффициенты с математическим ожиданием, равным нулю (коэффициенты разложения); ф, (t) — неслучайные функции (координатные функции).
Это разложение удобно тем, что при линейном преобразовании случайной функции коэффициенты разложения остаются неизменными, а математическое ожидание и координатные функции подвергаются тому же линейному преобразованию.
Представление процессов в виде случайных необходимо потому, что при расчете надежности изделий необходимо выявить область работоспособности, а для этого надо знать не только математическое ожидание, но и другие вероятностные характеристики процесса — его дисперсию, корреляционную функцию и т. п.
Приведем пример представления процессов старения в виде случайных функций. Простейшим будет случай, когда у не изменяется во времени, а ее значение зависит лишь от режима и условий работы материала. Тогда будет иметь место стационарный процесс (по отношению к у), параметры которого можно оценить, зная законы распределения случайных аргументов и используя соответствующие теоремы теории вероятностей. Так, например, 116
скорость изнашивания у (мкм/ч) при абразивном износе подчиняется закономерности (см. гл. 5, п. 2)
<V = kpv,	(32)
где k — константа, зависящая от материала и условий изнашивания; р —давление на поверхности трения [МПа]; v — скорость относительного скольжения сопряженных тел 1м/с].
Пусть из условий эксплуатации известно, что спектры нагрузок подчиняются нормальным законам распределения с параметрами — математическим ожиданием рср и иср и среднеквадратическим отклонением ор и оо. Известно также среднее значение /гср. Если считать, что факторы, определяющие значение коэффициента k (смазка, загрязнение поверхности абразивом), существенно не изменяются, а на процесс изнашивания влияют лишь изменения нагрузок и скоростей, то можно определить параметры процесса изнашивания, пользуясь теоремами для случайных аргументов.
Математическое ожидание процесса будет
Тор = ^срРср^ср*	(33)
Дисперсия процесса изнашивания DY = aY может быть подсчитана на основании теоремы о дисперсии независимых нецен-трированных случайных величин [22 ]
Dv ® D (kpv) « k2D (pv) == k2 [D (p) D (v) + plpD (v) 4- vl?D (p)]	(34)
или
= V Щ = k VG2gI 4- plpG2 4- vlpGj.	(35)
Пусть, например, из анализа спектров нагрузок, которые могут возникать при эксплуатации, известно, что они подчиняются нормальному закону распределения и в пределах шести-сигмовой зоны имеют колебания:
р = 16 ± 4,5, т. е. рср = 1 б мПа и ир = 1,5 МПа;
и = 2 ± 0,6, т. е. рср = 2 м/с и а„ = 0,2 м/с.
Кроме того, из испытания образцов при средних режимах эксплуатации известно, что за 100 ч работы износ составил 2 мкм, т. е.
уср= 2-10"2 мкм/ч.
Из формулы (33) можно определить среднее значение коэффициента износа k, которое для принятых значений будет kcp =s = б,25-10"4. Среднее квадратическое отклонение, характеризующее дисперсию процесса изнашивания, определим по формуле (35):
= 2,77 • 10“8 мкм/ч.
117
Таким образом, в данном примере скорость изнашивания выражалась элементарной случайной функцией [см. уравнение (28) 1 с параметрами А =	- и Ф (0 = ^срРср^ср == const.
Для более сложных зависимостей бывает трудно в аналитической форме определить параметры случайного процесса у (/) по параметрам его случайных аргументов. В этом случае с успехом может быть применен метод статистического моделирования (см. гл. 4, п. 4).
Заканчивая главу, посвященную физике отказов, следует еще раз подчеркнуть, что знание временных зависимостей, описывающих процесс повреждения, и применение показателей, оценивающих степень повреждения материала изделия, являются необходимым условием для решения задач надежности.
Наиболее перспективны аналитические зависимости, базирующиеся на физике явлений и оценивающие влияние основных факторов на скорость процесса.
Процессы старения всегда являются случайными и их характеристики могут быть получены аналитически, методами статистического моделирования или на основании статистических исследований.
Знание зависимости U (/) или у (/) необходимое, но не достаточное условие для оценки надежности изделия, так'как степень повреждения в свою очередь, связана некоторой функциональной зависимостью с выходным параметром изделия.
ГЛАВА 3
МОДЕЛИ ОТКАЗОВ
1. Анализ процесса формирования закона изменения выходного параметра
1.	Связь между степенью повреждения и выходным параметром изделия. Различные виды и степень повреждения материала влияют на выходные параметры изделия и, следовательно, определяют его надежность.
Однако закон изменения выходного параметра изделия во времени X (/) может как соответствовать, так и существенно отличаться от определяющей его временной зависимости для степени повреждения U (/), так как между ними имеется функциональная зависимость X = f ([/), которая отражает структуру, назначение и принцип действия данного изделия. Линейный закон изменения степени повреждения во времени может привести к нелинейным временном зависимостям выходного параметра. Следует учитывать, что процесс повреждения связан с физикой явлений, происходящих в материале изделия, в то время как изменение выходного параметра отражает макропроцессы, происходящие в самом изделии.
Приведем примеры (рис. 32) функциональных связей между степенью повреждения U и выходным параметром X. Следует иметь в виду, что эта зависимость, как правило, неслучайная или ее стохастическая природа проявляется весьма слабо.
Наиболее типична лине/шая зависимость (рис. 32, а), когда U и X связаны передаточным коэффициентом. Например, при износе сопряжения зазор Д, как правило, непосредственно увеличивается, т. е. Д = До + U, где Хо = До — начальный зазор.
Нелинейная зависимость между X и U может быть проиллюстрирована на примере возникновения динамических нагрузок Рд при наличии зазоров в сопряжении в результате его износа (рис. 32, б). Сила соударения двух упругих тел нелинейно зависит от величины зазора и может быть получена из решения соответствующих дифференциальных уравнений динамики.
В ряде случаев зависимость выходного параметра от степени ' повреждения может иметь зону нечувствительности с последующим резким изменением значения X (рис. 32, в). Примером может служить влияние степени коррозии резервуара на его способность воспринимать необходимое давление помещенной в нем жидкости. Вначале коррозия не влияет на выходной параметр — давление в резервуаре, но после любого локального повреждения стенки на глубину U = б резервуар теряет способность даже содержать жидкость. Аналогичные зависимости между X и U обычно имеют место при изменении условий работы изделия при достижении
119
Рис. 32. Примеры функциональных зависимостей между степенью повреждения изделия U и его выходным параметром X:
а *— износ — рост зазора; б — износ — динамические нагрузки; в » коррозия давление; г » износ «а- коэффициент трения
определенной (критической) степени повреждения 1/кр. Например, подшипник скольжения, работающий со смазкой (рис. 32, г), при определенной величине диаметрального зазора обеспечивает жидкостное трение, и если выходным параметром является коэффициент трения, то его значение минимально.
В процессе износа подшипника (в период пуска или реверса, когда нарушается жидкостное трение) диаметральный зазор растет и наступает такое его критическое значение, когда условия гидродинамической смазки нарушаются, характер трения изменяется, в результате чего коэффициент трения возрастает.
Таким образом, в общем случае временная зависимость для выходного параметра определяется как
X = f (U) = f [U (t)],	(1)
где обычно функция U (I) является случайной, а функция f описывает детерминированную зависимость.
Во многих случаях выхоДной параметр изделия зависит от нескольких повреждений Ui, U2; ... ; (7К, которые могут иметь различные законы изменения во времени. Например, точность перемещения ведомого звена механизма зависит от износа всех его звеньев, несущая способность конструкции зависит от коррозии, усталости и износа ее элементов и т. п.
Поэтому в общем случае можно записать
Х = /(1/г; 6/2;...; С7И).	(2)
При линейных зависимостях U (t) — kt	пользоваться
значением скорости протекания процесса <у. В этом случае A = /(Tii ад...;	(3)
120
Эти зависимости будут определять и переходные характеристики звеньев изделия (см. табл. 5).
Сложные изделия, как правило, характеризуются не одним, а несколькими выходными параметрами Х2; Х2; ...; Хп. В этом случае данный вид повреждения может оказывать влияние на изменение разных выходных параметров и характеризоваться соответствующими функциональными связями между U и X:

(4)
В общем случае зависимости для выходных параметров могут быть записаны системой уравнений

(5)
В качестве примера влияния данного повреждения — износа U сопряжения поршень—цилиндр на выходные параметры изделия на рис. 33 приведены результаты исследований, проведенных заводом «Пневматика» по оценке работоспособности пневматических горных машин (молотков, перфораторов). Изменения рабочих характеристик перфораторов связано с износом указанного основного сопряжения, что приводит к падению мощности Xr = N [кВт], числа ударов молотка в минуту Ха = п [с"1), вращающего момента Х3 — Л4К0 1Н-м), работы удара Х4 =* А [Н*м].
Все это непосредственно влияет на эффективность работы горного оборудования, поэтому нормативы устанавливают предельные значения для каждого из указанных параметров.
Зависимость между степенью повреждения и выходным параметром определяет процесс формирования выходного параметра.
2.	Формирование закона изменения выходного параметра во времени, Закон изменения выходных параметров во времени X (/) формируется под влиянием протекания случайного процесса повреждения изделия и его элементов и, как правило, неслучайной, переходной функции X = f ([/).
При линейной зависимости X от U законы изменения выходных параметров аналогичны соответствующим закономерностям Для U (/) (см. табл. 9). Это наиболее типичный случай для большинства изделий.
При наличии нелинейной зависимости между U и X (как это показано на рис. 32, б—г) происходит формирование реализаций выходного параметра по схеме, приведенной на рис. 34. В качестве примера взят монотонно убывающий процесс повреждения U (/) (см. табл, 9) и нелинейная зависимость между U
121
Рис. 33. Влияние износа сопряжения цилиндр—поршень на выходные параметры перфоратора (Л, Н’М — работа удара, М, Н-м — вращающий момент; п, с”1 — циклы в секунду; N, кВт — мощность)
закона изменения выходного параметра изделия X (/)
и Л (см. рис. 32, б), когда по мере роста степени повреждения выходной параметр изменяется со все возрастающей интенсивностью. Из построения двух реализаций для выходного параметра Хг и Х2 видно, что они более существенно отличаются друг от друга, чем определяющие их реализации и Uz. Это связано с характером функции X = f (U)t изменяющей исходные закономерности. Возможны варианты, когда линейное изменение во времени степени повреждения приведет к нелинейным изменениям выходного параметра и наоборот. Поэтому исследование и анализ выходных параметров изделия должны базироваться на оценке указанных двух основных факторов, определяющих их формирование, что не всегда учитывается экспериментаторами.
На рис. 35 приведено два
примера экспериментальных исследований изменения выходных параметров изделия X (/) и их стохастической природы. На рис. 35, а показаны результаты испытания уровня настройки электро-контактного датчика БВ-1005 [791. В процессе эксплуатации происходит смещение уровня настройки, причем в результате действия многих
*
Рис. 35. Исследование изменения выходных параметров:
а — смещение уровня настройки датчика; б — подача топлива плунжерным насосом
.122
Рис. 36. Степень удаленности реали-ваций X (t) от предельного состояния
факторов (качества датчика, условий работы и др.) этот процесс носит случайный характер. Как видно из графиков, процесс имеет значительную дисперсию и склонность к перемешиванию реализаций. Однако математическое ожидание процесса близко к линейному и характеризует постепенное смещение уровня настройки датчика, что определяет надежность его работы.
Другой пример (рис. 35,6)— исследование изменения гидравлической плотности прецизионных пар топливной аппаратуры при их износе (41. Износ плунжерной пары насоса приводит к существенному изменению цикловой подачи топлива, что сопровождается одновременным ростом реализации процесса не имеют и имеют малое рассеивание, так ] стабильный.
8)
неравномерности подачи. Здесь склонности к перемешиванию ак режим работы изделия более
Знание закономерностей изменения выходных параметров во времени (с учетом их стохастической природы) необходимо для построения модели, оценивающей возможность возникновения отказа.
3.	Оценка удаленности параметра изделия от предельного состояния. При протекании процесса изменения выходного параметра возможность возникновения отказа связана со степенью удаленности параметра от его предельного состояния. Оценка этой ситуации приводит к трем основным случаям (рис. 36).
Если за рассматриваемый промежуток времени t = Т отдельные реализации процесса изменения выходного параметра во времени X (/) достигнут предельного состояния, то имеется вероятность возникновения отказа (рис. 36, а). Эта вероятность характеризуется законом распределения f (t = Т), который на данном участке 0 с t < Т начал свое формирование. Такая схема характерна для систем, обладающих определенной степенью безотказности работы. Для высоконадежных систем харак-
123
терна схема, когда значения параметров X значительно ниже допустимых значений Хшах (рис. 36, б). Это возможно, когда при изменении параметров после периода приработки произошла их стабилизация, и процесс X (/) стал стационарным, или когда скорость изменения параметров незначительна, и обеспечивается условие X Хшах. В этом случае изделие имеет запас надежности, и отказ практически не возникнет.
Как промежуточный случай между двумя рассмотренными может быть такой, при котором процесс изменения параметров стационарен; параметры, как правило, находятся в пределах X < Хтах, однако отдельные реализации из-за близости к предельному значению могут выходить за допустимые значения. Такие отказы проявляются как так называемые сбои, когда при последующей работе изделия параметр опять принимает допустимое значение. Если же выход за допустимые пределы связан с отказом функционирования, то необходимы специальные мероприятия (ремонт, регулировка) для восстановления утраченной работоспособности. Примером сбоев могут служить отказы транспортных систем (лотков) автоматических линий станков, обрабатывающих подшипниковые кольца, если происходит застревание кольца в лотке. Этот отказ возникает из-за деформации стенок лотка, засорения лотка стружкой и его загрязнения, выхода размера заготовки кольца за допустимые пределы и др. Число отказов в единицу времени может быть значительным 132], так как его устранение связано лишь с дополнительным проталкиванием кольца по лотку.
Модели, построение которых позволит раскрыть механизм формирования отказов и даст возможность оценить надежность изделия еще на стадии проектирования, должны в первую очередь учитывать степень удаленности изделия от предельного состояния. Если возникновение отказов возможно и допустимо (рис. 36, а и а), то модель отказа должна дать возможность определить закон распределения времени безотказной работы [т. е. функции f (/) или Р (t) ], знание которого позволит решить все основные вопросы по оценке надежности. Такие модели применительно к постепенным (рис. 36, а) н к внезапным (рис. 36, в) отказам являются, как правило, основным содержанием разработок по оценке надежности (см. гл. 3, п. 2 и 3). Если же при работе изделия не должно допускаться отказов, то характеристикой надежности является запас надежности Кк и его сохранение во времени (см. гл. 1, п. 2).
Запас надежности характеризует устойчивость изделия к отказам, а скорость изменения запаса надежности ун определяет период допустимой эксплуатации высоконадежного изделия. Создание запаса надежности так же, как и запаса прочности, гарантирует конструкции сохранение работоспособности. Однако по сравнению с прочностными расчетами здесь, во-первых, запас устанавливается по отношению к разнообразным выходным пара-124
метрам изделия (а не только к прочностным характеристикам) и, во-вторых, он изменяется во времени и имеет вероятностную природу. Если модель отказа охватывает все стадии его формирования, то она пригодна как для оценки запаса надежности изделия, так и для нахождения закона распределения сроков службы (наработки) до отказа. Однако часто стремятся непосредственно подобрать такой закон, который отражал бы статистические закономерности происходящих явлений.
В теории надежности применяются различные законы распределения сроков службы (наработки) до отказа.
4.	Законы распределения сроков службы до отказа. Закон распределения времени работы изделия до отказа, выраженный в дифференциальной форме в виде плотности вероятности f (/) или в интегральной форме в виде функции распределения F (/), является полной характеристикой надежности изделия или его элемента. Он позволяет определить (см. рис. 3) вероятность безотказной работы Р (0 = 1 — F (t), математическое ожидание (средний срок службы или средняя наработка до отказа) Tcf=l f(t)tdt=Jp(t)dt,	(6)
о	о
дисперсию D или среднее квадратическое отклонение о =/D
D = ](T„-tYf{t)dt	(7)
и другие численные характеристики — моменты более высоких порядков, квантили. Методы определения параметров известного закона распределения рассмотрены в курсах теории вероятностей [22, 1831 и не представляют принципиальных трудностей.
Основная задача теории надежности состоит в выявлении и математическом описании такого закона распределения f (I), который отражал бы с высокой степенью достоверности объективную действительность. Это необходимо для возможности прогнозировать поведение изделия с точки зрения оценки вероятности возникновения отказа. Наиболее простой и широко распространенный путь для решения этой задачи заключается в непосредственном выборе закона распределения, который, по мнению исследователя, отражает действительную картину.
Теория вероятностей дает широкий ассортимент различных законов распределения случайных величин, которые могут быть использованы и для решения задач надежности. В табл. 10 приведены законы распределения, получившие наибольшее применение в теории надежности. Здесь t — Т — срок службы (наработка) до отказа — случайная непрерывная, положительная величина. Основанием для использования того или иного закона Распределения и оценки его параметров служат обычно опытные
125
Законы распределения сроков службы
Таблица 10
Закон	f (О			p<n		
Нормальный (Гаусса) (t-T)* z(/)==~7^e 2Oi о V 2л Р(/) = 0,5 —Ф ( -	fit)	ч л	t	p(t) 0,5		-P(t) .2 t
Логарифмически нормальный (In /—In Tt) I	2о? Р(/) = 0,5 —Ф ( |п<~|пГ1 )		d^L t		Pit) 1		
Экспоненциальный Н0=Ае-м р (/) = е~и =е~т	flt)\ X		л A. f < A f t		Pit) 1	t	
Вейбулла т_1	*т т‘ Р<1) = е т‘		ч. t		P(t) 1	\\wA \лкгх\ t	
Релея t* Р (0 = е 2а*	Ht)	t\		Pit)	t	
Г амма-распределение tm~-1	— 77 = —		е г» ' Т^Г(т) Р(/) = р(0 <й t	f(t)	\m*f m>f t		Pit)	Vs™’? t	
126
Продолжение табл. 10
Закон	f 0)	р (О
Равномерное распределение 1	ко	р(0
T,-Ti	при		'К
Р(0 =	ъ	t	
т2 — т\		I-—1
данные, полученные при испытании изделий или образцов, сведения об аналогах, эксплуатационные наблюдения или теоретические предпосылки.
При этом должны применяться методы проверки статистических гипотез о правомерности применения данного закона распределения.
Для решения задач надежности широкое применение получил нормальный закон. Однако, учитывая область существования О < I <3 °0 ПРИ точных решениях, необходимо вводить нормирующий множитель, который обеспечивает равенство единице площади кривой f (t) в области положительных значений t.
Нормальный закон в ряде случаев рекомендуют применять при износе и других постепенных отказах. Однако часто наблюдаются асимметричные законы распределения. В этих случаях могут подойти логарифмически-нормальное распределение, закон Вейбулла, гамма-распределение, распределение Релея. Они часто применяются, например, при оценке результатов испытаний на усталостную прочность.
При действии на изделия внешних факторов, приводящих к отказам независимо от его состояния и длительности предшествующей работы, т. е. когда возникают внезапные отказы, они могут описываться экспоненциальным или равномерным распределениями.
При оценке надежности популярность, как правило, получают те законы распределения, которые за счет изменения значений численных параметров могут принимать различный вид.
Так, закон Вейбулла (табл. 10) при т—1 превращается в экспоненциальный закон, при т > 1 он может быть близок к нормальному, а при т = 2 получаем так называемое распределение Релея. То же можно сказать и о гамма-распределении. Поэтому такие законы обладают большой гибкостью и могут отражать разнообразные причины отказов.
5.	Выбор закона распределения. Непосредственное применение законов распределения сроков службы не может быть признано основным методом для решения задач надежности по следующим причинам.'
Во-первых, закон выбирается формально, по внешним признакам, он не отражает процесса формирования отказа и поэтому всегда имеется опасность весьма грубого приближения.
127
Во-вторых, для получения экспериментальных данных, позволяющих судить о законе распределения, требуется, как правило, очень длительное время, так как фиксируется конечная стадия процесса повреждения — отказ. Закон распределения времени работы изделия до отказа будет правильно отражать действительную картину лишь тогда, когда он получен в результате рассмотрения модели отказа, описывающей процесс повреждения изделия и формирования в результате этого определенного закона f (/).
Только в этом случае будет обеспечена возможность прогнозирования надежности изделия в различных условиях эксплуатации.
Рассмотрим пример, как формальный подбор закона распределения может привести к существенным ошибкам.
В работе [1821 приводятся результаты усталостных испытаний на консольный изгиб образцов из сплава марки В-95. Длительный предел усталости сплава = 200 МПа, испытания проводились при напряжении ошах == 300 МПа. Получен следующий вариационный ряд из 22 членов для числа циклов W до разрушения: дг. 10-5=0,53—0,65—0,76—0,80—0,87—0,90—0,90—1,02 —1,07-^ 1,07 — 1,09—1,16—1,22 — 1,29 — 1,40—1,57—1,59—1,88—2,07— 2,23—2,23—2,38—2,79.
В работе [40] сделана попытка оценить на основании этих данных вероятность безотказной работы образца Р (t) в интервале (0—0,45) 10б циклов и время (число циклов) Т0 01, за которое успеет отказать один процент изделия (квантиль уровня 0,01). Оказалось, что с опытными данными хорошо согласуются различные распределения — логарифмически-нормальное, нормальное и Вейбулла. Критерий согласия Колмогорова не превышал величины 0,15, что значительно меньше допустимых отклонений при 20% уровне значимости. Результаты расчетов сведены в табл. 11 [401.
Таблица 11
Оценка надежности по результатам усталостных испытаний
Вид распределения	Параметры	Р (t< 0,46- 10s)	ro.oi
Логарифмически-нормальное	In Ti = 5,084 <т£= 0,189	1 — 0,011 = 0,989	0,44-106
Нормальное (неусеченное)	7’сР= 1,33- 10е а = 0,6.10е	1 — 0,071 = 0,929	Меньше нуля *
Вейбулла	m = 2,15 Г£ = 2,61 -106	] _ 0,067 = 0,933	0,018-10»
* Этот результат получен вследствие того, что не было проведено нормирования (усечения) нормального закона распределения.			
128
Из таблицы видно, что вид распределения существенно влияет на оценку надежности изделия, хотя каждый из принятых законов подходил для статистического описания полученных данных. Это еще раз подтверждает необходимость рассмотрения полной модели отказа с учетом физики явлений, а не искать формального сходства гистограммы с тем или иным законом распределения.
2. Модель формирования постепенных отказов
1. Общая схема формирования отказа. Рассмотрим общую схему формирования отказа изделия (рис. 37), когда протекание различных процессов повреждения приводит к изменению во времени выходного параметра X. Отказ возникнет при достижении параметром своего предельно-допустимого значения Xmax, что произойдет через некоторый случайный промежуток времени работы изделия.
На схеме показаны основные этапы формирования закона распределения f (/). В начале имеет место рассеивание параметров изделия f (а) относительно своего математического ожидания а0. Это связано с рассеиванием начальных показателей новой машины, с возможностью ее работы при различных режимах и с протеканием таких процессов, как вибрация, деформация и др., которые проявляются сразу же при работе машины. Затем на ухудшение параметров изделия в процессе эксплуатации сказываются медленно протекающие процессы, например, износ. В общем случае процесс изменения параметра может начаться через некоторый промежуток времени Тв, который так же является случайной величиной и связан с накоплением повреждений (например, усталостных) или с действием внешних причин.
Процесс изменения параметра X со скоростью ух также является случайным и зависит от изменения повреждений отдельных элементов изделия (их износа со скоростью у2, ...» у*).
Проников А. С.
5
129
В результате всех этих явлений происходит формирование закона распределения f (X; t), который определяет вероятность выхода параметра X за границу Хтах, т. е. вероятность отказа F (/) = 1 — Р (t). Следует отметить, что в общем случае значение Хтах также может иметь рассеивание, если оно оценивает диапазон требований потребителя к предельным значениям показателей машины.
Данная схема в общем виде описывает процесс возникновения отказа и при частных значениях входящих параметров может отражать те или иные случаи, характерные для определенных условий работы и конструктивных особенностей изделия. Если процесс изменения параметра начинается сразу (Тв = 0), то получаем типичную схему возникновения постепенного параметрического отказа. Если при достижении Хтах, будет резкое возрастание X (/), то, как правило, возникнет отказ функционирования. Если в процессе формирования отказа основную роль играет возникновение (зарождение) процесса, т. е. функция f (7\), а затем процесс протекает с большой интенсивностью X (t) —♦ оо, то получим модель внезапного отказа.
Рассеивание начальных параметров изделия f (а) следует учитывать при рассмотрении определенной совокупности изделий, например всех машин данной модели, выпускаемых заводом. Если рассматривается конкретное изделие, то значение а превращается в неслучайную величину, так как характеризует начальные параметры данного образца.
Если же учитывать рассеивание начальных параметров машины в результате ее работы при различных режимах, то а будет случайной величиной и для данного экземпляра изделия.
2. Модель формирования постепенного отказа данного изделия. Рассмотрим наиболее распространенный случай, когда изменение параметра изделия X подчиняется линейному закону
X = kt.	(8)
В данном случае k ~ у — это скорость протекания процесса (скорость изнашивания у, или скорость изменения параметра ух), которая зависит, как правило, от большого числа случайных факторов — от нагрузки, скорости, температуры, условий эксплуатации и т. п. Поэтому наиболее характерен случай, когда она подчинена нормальному закону, т. е.
(Ух-Уср)2
1	2О2
----F=" е
av V 2л
где f (у) — плотность вероятности; уср — среднее значение (математическое ожидание) скорости процесса повреждения или изменения выходного параметра; ov — среднее квадратическое 130
отклонение скорости процесса; 6 = —2---коэффициент вариации
Тер
(безразмерная величина).
Предельно допустимое значение параметров Хтах установлено из условия правильности функционирования изделия. При X — = Атах наступает предельное состояние, которое и определяет срок службы (наработку) изделия до отказа t = Т. Срок службы Т является функцией случайного аргумента у, т. е.
Т’ = Ф(Т) = ^^.	(10)
Средний срок службы изделия
Как будет показано ниже, данный срок службы является медианой Т.
Задача заключается в отыскании плотности распределения f (0 по заданной функции f (у) (рис. 38). Для функций случайного аргумента в теории вероятностей применяется формула [22]
/(/=Т)==/[ф(Т)]|ф'(Т)|,	(12)
где ф (Г) — обратная функция <р (у), т. е. ф (Г) =	; ф' (Г) =
=----------производная этой функции.
Подставляя эти значения в (12) и делая преобразования, получим т , (тср-т)г
/(Т)==Ъ%Г^е~	’	(13)
5*
Рис. 38. Схема формирования постепенного отказа данного изделия
131
Для удобства расчетов введем безразмерное время т в долях
Т •
Л ср*
<14>
•* ср
Тогда формула (13) примет вид
=	(15)
где
/(т)==Тср/(Т)иТ = тТср.	(16)
Эта формула удобна тем, что плотность вероятности является функцией всего одного безразмерного параметра — коэффициента вариации 6.
Анализ f (Т) и f (т) показывает, что эта функция асимметрична, ее максимум (мода Тиов) находится левее точки с координатой t = Тср (т = 1).
Из условия = 0 получим значение аргумента, при котором функция достигает максимума
_ /Г^8б2-1	П7.
^мод —	4б2	’
Для определения вероятности отказа F (Т) необходимо проинтегрировать функцию плотности вероятности
т	%
Л(Т) = jf(T)dT= |/(т)Л = Г(т),	(18)
О	о
т. е. можно интегрировать функцию f (т). I ______________________________
Если ввести переменную г = —, то данный интеграл сводится к функции Лапласа и, учитывая, что вероятность безотказной работы Р (Т) = 1 — F (Т), получим
Р(Т) = Р(т) = 0.54-Ф(-^),	(19)
где Ф — нормированная функция Лапласа, 0 Ф 0,5; при т = 0 Р (Т) = 1, при т =оо Р (Т) —* 0. Точного значения Р (Т = = оо) = 0 здесь не получается, так как для простоты не проводилось нормирования функции f (у). Формулу (19) можно написать в другом виде, выразив Р (Т) через параметры Хтах; уср и av, которые являются исходными данными при решении поставленной задачи.
Учитывая зависимости (14) и (11), получим
Р (Т) = 0,5 + ф ( Л-т"г~ ТсрГ ).	(20)
132
Рис. 39. Графики функций Р (т), F (т) и / (т) при 6К = 0,2
На рис. 39 приведен пример функций Р (т), F (т) и f (т) для значения 6 = 0,2. Анализ этих закономерностей показывает, что благодаря асимметрии кривой имеется зона высокой надежности.
Этот вывод важен при оценке надежности систем, к которым предъявляются высокие требования безотказности. Применение другого, например, нормального закона распределения дает более высокие значения вероятности отказа в этой области, что ведет к назначению заниженного ресурса.
Из схемы на рис. 38 видно, что имеется непосредственная связь между вероятностью F (у0) выхода значения у за пределы у0 = и вероятностью отказа F (Т).
Подсчитаем F (у0), учитывая, что
рассеивание скорости про-
цесса уо подчиняется нормальному закону распределения:
ГЫ = О,5-Ф(24^-) = О,5-Ф[^(^—1)].
(21)
Поскольку из (10) и (11) следует, что —— =	получим
Тер I
F(Ъ) = 0,5 — Ф [-Ь	---1)] = 0,5-Ф	= F(t) = Р(Т).
Таким образом, вероятности F (Т) и F (у0) равны между собой, т. е.
Р (П = Р (То) или Р (Т) = 1 - F (То).	(22)
Из этого также следует, что Тср> применяемое в полученных формулах, является медианой, так как уср вследствие симметрии кривой f (у0) делит ее площадь пополам. Поэтому для данного случая F (у0) = 0,5, а следовательно, и площадь кривой f (т), отсекаемая t = Тср, также равна F (Т) = 0,5.
Учитывая зависимость (22) можно более просто определить вероятность безотказной работы изделия, так как она равна вероятности того, что параметр X при данном t = Т не выйдет за пределы максимально допустимого значения Хтах: ?(D=Bep(X<Xml).	(23)
133
Параметр X при данном t = Т, так же как и скорость у, распределен по нормальному закону с параметрами: математическое ожидание
М(Х) = Хср = усрТ;	(24)
среднее квадратическое отклонение
о (X) = <rv7\	(25)
Поэтому вероятность безотказной работы численно равна площади кривой плотности распределения f (X), заключенной от - сю до Хтах:
, *тах г у___ у т
Р1Т)=—!_ [ еХр	=
о (X) /2 л J Ч 2аах J
= 0,5 + Ф -ср ] = 0,5 + Ф [ Хда*~Лг-
(26)
т. е. получили формулу (20).
Следует подчеркнуть, что в формулах (20) и (26) <тх относится или к скорости процесса повреждения или к скорости изменения выходного параметра (ох)«
Следует отметить, что подобный закон был рассмотрен в литературе, например в работах [40] и [57]. В работе [57] он назван a-распределением и представлен функцией трех переменных.
Рассмотренная схема является упрощенной, так как не учитывает рассеивание начальных параметров изделия.
3. Модель формирования постепенного отказа с учетом рассеивания начальных параметров изделия. Более полная схема потери изделием работоспособности учитывает и начальное рассеивание параметра изделия. В общем случае уравнение (8) должно быть написано в виде
Х = а + уЛ	(27)
где a — начальный параметр изделия (например, точность изготовления детали), который также является случайной величиной и подчиняется некоторому закону распределения. Срок службы является функцией двух независимых случайных аргументов a и у:
'г _ Xтах — О	/9Я)
Для отыскания закона распределения f (/) для функции двух переменных также имеются общие вероятностные зависимости [22 1, аналогичные формуле (12). Как правило, их непосредственное применение приводит к громоздким преобразованиям, так как возникает необходимость брать двойной интеграл по некоторой области.
134
Рис. 40. Схема формирования отказа при рассеивании начальных параметров изделия
Однако, если случайные аргументы а и у распределены по нормальному закону, то и параметр X для каждого значения t = Т будет распределен по тому же закону с параметрами (рис. 40): математическое ожидание
Хср = «о + ТсРТ,	(29)
среднее квадратическое отклонение
=	(30)
где а0 — математическое ожидание и оа — среднее кваратическое отклонение случайного параметра а. Применяя, как и ранее, зависимость (23) и учитывая (29) и (30), получим
Р(Г)=0,54-Ф
•X max — ао — УсрТ
У Оа +
(31)
Как видно, данная формула является более общей и при = 0 и оа = 0 превращается в формулу (20). Эту же формулу можно использовать и при нелинейном протекании процесса изменения параметра, т. е. когда математическое ожидание -уср (0> а в ряде случаев и дисперсия (/) Р являются функцией времени. Таким образом, для любой закономерности изменения выходного параметра можно написать в общем виде
Р(Т)^0,5 + Ф
max — ао — Тср (Т) Т гЧ+4<7')7’2
(32)
Данный методический подход можно использовать и при иных исходных законах распределения параметров а и у. При сложных или эмпирических законах распределения для получения функции / (Г) или Р (Т) можно применить методы статистического моделирования на ЭВМ.
135
Рис. 41. Частные случаи модели постепенных отказов
Рис. 42. Исследование потери рабочих характеристик высокоточных насосов
Рассмотренная схема оценки вероятности безотказной работы при постепенных отказах позволяет оценить роль отдельных факторов в формировании закона f (Т).
Так, если рассеивание процесса изменения X (/) мало (т. е. ov—» 0), то закон f (Т) целиком определяется закономерностями рассеивания начальных параметров (рис. 41, а). Только в этом случае при нормальном законе f (а) вероятность отказа также будет подчиняться нормальному закону.
Если изменения выходного параметра в исследуемом промежутке времени не наблюдается (рис. 41, б), т. е. у —» 0, то из формулы (22) получаем, что
Р (Т) ° 0,5 + Ф ( *-°“g ~ °° ) = const,	(33)
следовательно, вероятность отказа от времени не зависит. Это значение Р (Т) оценивает вероятность получения годного или негодного изделия, которое либо будет безотказно работать весь рассматриваемый период эксплуатации, либо откажет сразу, так как параметры нового изделия будут за пределами допустимых значений.
Своеобразная схема отказа может иметь место в том случае, если кривая X (/) после достижения некоторого критического уровня Хкр будет иметь тенденцию к быстрому возрастанию, что характерно для отказов функционирования. В этом случае значение Хтах может иметь формальный характер. Например, расчет допустимого ослабления детали усталостной трещиной не имеет 136
смысла, если, начиная с некоторого критического значения глубины трещины (меньше допустимой по условиям прочности детали), будет происходить ее лавинообразное развитие. Для данного случая закон распределения f (Т) следует определять исходя из достижения реализацией процесса критического уровня Хкр.
В качестве примера экспериментальных исследований процесса потери изделием работоспособности на рис. 42 приведены результаты измерения начального зазора поршень—плунжер и износ данной пары при работе высокоточных аксиально-поршневых насосов (по данным Ю. А. Бурова).
Рост зазора в результате износа этой пары приводит к падению производительности насоса Q по отношению к ее исходному значению Qo- Как видно из приведенных данных, имело место большое рассеивание начальных параметров, поэтому срок службы насосов изменялся в широком диапазоне. Главный метод повышения ресурса насоса для данного случая — сокращение рассеивания исходных параметров (зазора), что и было сделано за счет технологических мероприятий (повышение точности, селективная сборка).
4. Пример расчета ресурса и вероятности безотказной работы изделия. При расчетах вероятности безотказной работы Р (Т) по формуле (31) задача решается, как правило, в двух вариантах.
1.	При заданном ресурсе Т = Тр подсчитывается вероятность безотказной работы Р (Т), которая и служит характеристикой надежности изделия. В этом случае все параметры, определяющие аргумент функции Лапласа, известны, и, используя таблицы этой функции [183, 221], подсчитывается Р (Т).
2.	Для изделий с высокими требованиями к надежности обычно задается Р (Т) и необходимо подсчитать ресурс Тр, обеспечивающий данный уровень безотказности. В этом случае в формуле (31) искомым является значение Г, которое входит в аргумент функции Лапласа. Аргумент функции Лапласа будет являться квантилем Хр нормального распределения, т. е. тем его значением, которое соответствует данной вероятности Р (Т). Для квантилей нормального распределения имеются таблицы, например [2211.
Из формулы (31), приравняв к Хр значение аргумента функции Ф, получим для определения Т квадратное уравнение:
Хр + Щ/Т2 — Хтах — С0-------(34)
Порядок расчета заключается в том, что для заданного значения Р (Т) по таблицам для квантилей нормального распределения находим соответствующее значение Хр и из уравнения (34) находим ресурс Т = Тр.
Для частного случая при Р (Г) = 0,5 квантиль Хр = 0, из (34) получим
Гср = -~х~а° 	(35)
Тер
137
Это средний срок службы изделия, что следует также из формулы (28).
При значениях члена о^Т2, значительно меньших, чем Од, что имеет место при большем рассеивании начальных параметров, принимая в формуле (34) avT == 0, получим
Т___ ^тах — а° — ^pgfl	(36)
Уср
При использовании таблиц квантилей следует обращать внимание, для какой функции Лапласа (нормированной или нет) они приведены. Так, таблицы квантилей [221 ] приведены для значений вероятностей Р > 0,5, т. е. при Хр = 0 Р=0,5. Поэтому член 0,5 в формуле (31) уже учтен равенством (34).
Полученные зависимости позволяют при знании физических законов изнашивания или других законов старения с учетом возможных вариаций исходных показателей работоспособности и условий эксплуатации прогнозировать потерю работоспособности изделия и определять основные показатели надежности, так как в структуру формул входят исходные данные, не зависящие от времени.
Рассмотрим пример использования полученных формул для расчета показателей надежности при износе изделия. Пусть износ U непосредственно влияет на выходной параметр изделия, т. е. X = U, подчиняется линейной закономерности и имеет среднее значение уср = 2* 10"2 мкм/ч и дисперсию, определяемую ov = = 2,77*10"3 мкм/ч, которые были рассчитаны выше (см. с. 117). Максимально допустимое значение износа l/max = 10 мкм и определено по отношению к номинальному размеру а0, т. е. при расчете следует принимать а0 = 0.
Требуется рассчитать ресурс (гамма-процентный ресурс Tv) изнашивающейся детали при заданной вероятности безотказной работы изделия Р (t = Т) для ее значений в пределах от 0,5 до 0,9999.
Учитывая, что для рассматриваемого случая член на два порядка выше, чем (<т?7’)2, воспользуемся формулой (36), подставив в нее [/шах = Хгаах » 10 мкм; а0 = 0; о0 = 1 мкм и уср — = 2-10"2 мкм/ч. Откуда получим, что ресурс равен Тр = 500 (1 — — 0,1Хр). Результаты расчета сводим в табл. 12.
Из расчетов видно, что, во-первых, выбор ресурса должен быть достаточно точным, так как небольшие его изменения могут значительно отразиться на вероятности безотказной работы. Во-вторых, что имеется область высокой надежности, где вероятность безотказной работы изделия близка к единице.
При расчетах по формулам (20) и (31) следует иметь в виду, что если имеется недостаточная информация о статистических значениях входящих величин (например, в результате испытаний на износ при малой статистической выборке), необходимо определить доверительные интервалы этих параметров и соответ-138
ственно увеличить возможный диапазон изменения их значений. Это приведет к тому, что значение ресурса будет меньше, чем при знании параметров генеральной совокупности, так	Таблица 12 Результаты расчета надежности изнашивающейся детали		
	Заданное Значение Р (Г)	Квантиль X (по табл [10])	Ресурс
как расчетные значения дисперсий и математических ожиданий, входящие в формулы, необходимо увеличить, чтобы действительные их значения находились в данной области с за-	0,5 0,9 0,99 0,999 0,9999	0 1,282 2,326 3,090 3,719	500 435 385 343 315
данной вероятностью.			
Приведенная методика расчета позволяет на основании исходной информации о состоянии изделия, о возможных условиях его эксплуатации и при оценке интенсивности процессов потери работоспособности (износа) рассчитать ресурс изделия при требуемой вероятности безотказной работы, и указать мероприятия, которые окажут наибольший эффект на повышение надежности и количественно оценить удельный вес каждого фактора.
5. Модели постепенных отказов с двумя пределами. Рассмо-
тренные выше модели постепенного изменения параметров изделия оценивали вероятность их выхода за пределы Хтах, т. е. Вер(Х < Хтах). Однако в ряде случаев возможно наличие для данного параметра двух пределов — верхнего Хтах и нижнего Хт1п. Выход за границы Хт1п также будет отказом изделия. Данная схема будет иметь место, когда выходной параметр должен находиться в определенных границах, например допуск на размер обрабатываемого на станке изделия, жесткость пружины и др. Следует учитывать также, что закон изменения выходного параметра может быть достаточно сложным и не обязательно монотонно возрастающим, так как в общем случае он является следствием нескольких процессов повреждения.
На рис. 43, а показана модель отказа при наличии двух пределов. Вероятность безотказной работы изделия в данный момент времени t = Т численно равна площади кривой f (X, /), находящейся в пределах допуска 6 = Xmax — Xmln:
реп = Ф )+Ф(а,+ууг).	(37)
\ И Оа + СуТ	)	\ у оа + СуТ )
В частном случае при симметричном допуске Хтах = —Хт1п fl0 = 0 и уср = 0 (рис. 43, б), т. е. при увеличении со временем лишь дисперсии процесса без смещения центра группирования поля рассеивания параметров получим
Р(Т)=2ф(-	-т\.	(38)
\ V аа + сгтм /
139
Рис. 43. Модели постепенных отказов с двумя пределами
В ряде случаев закон изменения выходных параметров X (/) может быть достаточно сложным, но общий методический подход для оценки вероятности отказа будет тем же. Так, на рис. 43, в приведен случай со знакопеременным (по скорости процесса) изменением выходного параметра (см. типовую кривую табл. 9). В среднем за пределы допуска параметр изделия выйдет только через промежуток времени t = 7\.
Однако в процессе работы в начальный период эксплуатации в период времени t от Т\ до Г2 возникнет опасность отказа для изделий, выполненных по верхней границе допуска. Затем их безотказность будет возрастать. Изделия, выполненные по нижней границе допуска, не будут иметь такого периода, но их выход за нижнюю границу допуска возможен с момента времени t — 7\. Такая картина наблюдалась, например, при исследовании изменения в процессе эксплуатации точности одностоечного координатнорасточного станка мод. 2А450.
На рис. 43, г показано изменение за 7 лет эксплуатации данных станков неперпендикулярности оси вращения шпинделя к поверхности стола станка в поперечной плоскости по исследованиям, проведенным В. С. Дубец. Обработка опытных данных показала, что математическое ожидание угла поворота шпинделя «ср 140
и среднеквадратичное отклонение <fa в функции времени t (лет) могут быть аппроксимированы следующими зависимостями: а(/)== 1,04/2 + 6,88/~ 1,22; |
оа(0 == 0,17е0’47' + 0,9.	/	(39)
Такой сложный характер изменения положения оси шпинделя связан с суммированием двух различных процессов — коробления чугунных корпусных деталей станка и износа направляющих шпиндельного блока, которые действуют в противоположных направлениях.
Знание законов изменения выходных параметров изделия во времени (их математического ожидания и дисперсии) является основой для построения модели постепенного отказа.
3.	Модели внезапных отказов
1. Вероятность возникновения внезапного отказа. Причина возникновения внезапных отказов не связана с изменением состояния изделия и временем его предыдущей работы (см. гл. 2, п. 4), а зависит от уровня внешних воздействий.
Поэтому при построении модели внезапного отказа надо охарактеризовать ту обстановку, те внешние условия, которые могут привести к отказу. Эта обстановка может оцениваться интенсивностью отказов X — вероятностью возникновения отказа в единицу времени при условии, что до этого момента времени отказ не возник. Поэтому X является условной плотностью вероятности и измеряется в тех же единицах, что плотность вероятности [ (/), т. е. 44]-
Показатель интенсивности отказов X широко используется в технике, особенно в радиоэлектронике, где значительно больший объем отказов относится к категории внезапных.
Рассмотрим определение ^-характеристики, используя теорему умножения для зависимых событий: Р (АВ) « Р (Л)* Р(В/А), где АВ — сложное событие (совместное выполнение событий А и В); Р (АВ) — вероятность данного события и Р (В/А) — условная вероятность события В (т. е. при условии, что А имело место).
Рассмотрим некоторый период времени работы изделия t = Tt (рис. 44, а), после которого на участке Д/ будем оценивать вероятность возникновения отказа. Обозначим через события Л и В безотказную работу изделия на отрезках времени t и Д/. Вероятность возникновения каждого из этих событий, т. е. вероятности безотказной работы за время t и время Д/ будут соответственно Р (0 и Р (А/).
Сложное событие—безотказная работа изделия за время (t + + Д/) будет произведением указанных событий Л*В, так как для этого должно быть совместное выполнение двух событий: изделие Должно работать безотказно и на отрезке t и на отрезке Д/. Вероятность этого события будет Р (t АО*
141
Рис. 44. Экспоненциальный закон надежности при внезапных отказах: а — схема возникновения отказа; б — плотность вероятности; в — вероятность безотказной работы; г — кривая интенсивности отказов
Вероятность события В при условии выполнения события Л, т. е. Р (В/А) — Р (Д^//) означает условную вероятность безотказной работы изделия за период времени Д/.
Применяя теорему умножения для рассматриваемого случая, получим
Р(/ + M) = P(i)P(M/t)t (40)
По определению интенсивность отказов X будет равна
« __ F (А///) __ 1-Р(Д//0	,,п
Л “ А/ “ М *
Подставляя сюда значение Р из (40) и, учитывая, что точное значение X будет приД£—♦ 0, получим
х = Пш г-р(<)-р<;+А01 = - ^ lim Г р.^-р<0.. 1 = a^oL Д/-Р (0 J Р (0 д^о L & J
=	-----ЗГ11пР(01.	(42)
Откуда следует
- J bdt
— e °	— exp
(43)
Эта формула выражает зависимость между вероятностью безотказной работы изделия и ^-характеристикой, которая в общем случае может быть функцией времени X (/). Интенсивность отказов не является самостоятельной характеристикой, так как связана с Р (/) и плотностью вероятности f (t). Как известно,
<44>
Поэтому из уравнения (42) получим МО=4^.
(45)
142
Следовательно, из трех функций A, f и Р достатоно знать одну, чтобы, пользуясь уравнениями (44) и (45), найти остальные две.
В литературе формулу (43) часто относят к основным закономерностям теории надежности. В действительности она возникла лишь в связи с введением новой характеристики — А, и если прологарифмировать выражение (43) и подставить вместо % его значения из (45) и (44), то получим тождество
о
о
dP(t) 1	,
J dt = J о
1пР(0.
Применение ^-характеристики удобно в том случае, если она не изменяется во времени и характеризует условия возможного возникновения отказа.
Принимая А = const получим экспоненциальный закон надежности
=	(46)
Плотность вероятности данного закона с учетом формул (45) и (46) будет
f(O = AP(O = Ae-4	(47)
Эти функции изображены на рис. 44. Показатель А, так же как и f (0, измеряется числом отказов в единицу времени (1/ч). Средний срок службы (наработка) до отказа для экспоненциального закона будет
(48)
и формула (46) может быть написана в следующем виде: __________t
P(f) = e~ Тч>.	(49)
При t — Тср получим, что
Это означает, что при внезапных отказах после работы одинаковых деталей в течение t =; Тср 63% из них откажут, а 37% останутся работоспособными.
Для современных деталей и узлов машин требуется, как правило, высокая вероятность безотказной работы — от Р (t) = 0,99 До Р (t) = 0,99999 и выше.
Для значений Р (t) >0,9 формулу (49) можно с достаточной Для практики точностью представить в следующем виде:
P(0=l-W=l- '	(50)
1 ср
143
Эта формула получена аппроксимацией участка кривой Р (/) при значениях, близких к единице — прямой линии.
Следует отметить, что при значениях Р (/), близких к единице, условие X = const, соответствует условию f (t) — const, что видно из формулы (45), так как в этом случае X (/) f (t). До возникновения отказа X (/) = f (t), поскольку Р (t) = 1.
Следовательно, можно говорить, что внезапные отказы, когда они являются редкими событиями, подчиняются закону равной вероятности f (t) = const.
Одно из отличий характеристики X (/) от / (f) заключается в том, что при t —> оо всегда f (t) —* 0, в то время как для к это не обязательно.
При применении экспоненциального закона обычно указывают, что условие к = const сохраняется лишь в течение некоторого периода времени. Типичная кривая к (0 показана на рис. 44, а, где начальный период (0; /) характеризуется повышением интенсивности отказов. Это связывают с приработкой изделия, когда проявляются технологические дефекты. Второй период (^; /2), когда к = const, называют периодом нормальной эксплуатации, после чего (при t > /2) начинает проявляться износ (старение) изделия. Анализ такой оценки будет рассмотрен ниже. Здесь напомним, что рассматриваются внезапные отказы, не связанные с процессом старения изделия.
2.	Оценка ситуации, приводящей к внезапным отказам. Поскольку причина возникновения внезапного отказа связана не с изменением состояния изделия, а с неблагоприятным сочетанием действующих факторов, то необходимо оценить обстановку, которая может привести к данной ситуации, и вероятность этого события.
Построение модели внезапного отказа связано с анализом условий эксплуатации машины, режимами ее работы, возможностью возникновения экстремальных нагрузок и активного влияния окружающей среды.
На рис. 45 приведены типичные модели возникновения внезапных отказов. На рис. 45, а показано, что если рассеивание режимов таково, что выходной параметр X может выйти за допускаемые пределы и Х2, то вероятность F = Fx + F2 этого выхода за поле допуска 6 и будет определять вероятность отказа. Данная схема отличается от внешне похожей (см. рис. 41,6) для постепенного отказа тем, что там оценивалось рассеивание начальных параметров изделия, т. е. его качество, и изделие с самого начала эксплуатации либо было работоспособным, либо нет. В данном случае кривая f (X) характеризует рассеивание выходных параметров изделия из-за переменности режимов и условий эксплуатации, т. е. проявляется во времени. Поэтому для любой реализации, характеризующей изменения состояния изделия во времени X (/), процесс будет стационарным, без тенденций направленного изменения, но он допускает вероятность выхода за регламентированные пределы Хх и Ха.
144
Длительность предшествующей эксплуатации изделия (если при этом отказ не возник) не влияет на вероятность отказа за рассматриваемый промежуток времени. Отказ может иметь характер сбоя, если последствия выхода за пределы Хтах не приводят к изменениям в состоянии изделия, или привести к отказу функционирования.
Несколько более сложная модель внезапного отказа будет
иметь место в том случае, если предельное состояние изделия также меняется случайным образом (рис. 45, б). Такая схема, например, имеет место, если оценивать вероятность разрушения конструкции от статических пиковых нагрузок, учитывая вероятность сосуществования высоких нагрузок Q и низких значений несущей способности R. Запас прочности конструкции по средним значениям будет п == -5^- £> 1. Однако, учитывая кривые распределения этих Чср
параметров f (R) и f (Q), имеется вероятность F ситуации, при которой Q > R, т. е. возникнет отказ. Область отказов 6ОГ — та зона, где возможно пересечение реализаций Q (Z) и R (I). Значение Q (t) здесь изменяется случайным образом из-за переменности режимов работы изделия, a R (/) из-за случайного изменения состояния, например в связи с колебанием температуры окружающей среды.
Вероятность статического отказа FCT в общем виде будет [1811
JJ f(Q)f(R)dQdR.
R—Q<Q
(51)
В ряде случаев схему возникновения внезапного отказа можно представить как возможность столкновения движущегося по случайной или известной траектории объекта (рис. 45, в) с препятствиями пъ п2.......nh распределенными в пространстве слу-
чайным образом. Они имеют некоторую плотность заполнения пространства, которая и определяет вероятность столкновения. Такая схема может иметь место при движении транспортных
145
средств или при полете спутников с учетом вероятности столкновения с метеоритами.
Если ситуация не изменяется во времени, т. е. опасность возникновения отказа характеризуется стационарностью, то все данные схемы приведут к экспоненциальному закону (46), причем значение X может быть вычислено на основе той или иной схемы возникновения отказа.
Значение X = const имеет физический смысл, как оценка внешней ситуации. Эта характеристика мало пригодна для оценки процессов старения, как это часто делают.
В графике на рис. 44, г первый период X =£ const можно объяснить существованием вероятности эксплуатации некачественно изготовленного изделия (согласно схеме на рис. 41, б), что ведет к дополнительным отказам в начальный период работы или обкатки изделия.
Следует иметь в виду, что возможны и такие модели внезапных отказов, которые оценивают изменение внешних условий работы изделия, например, транспортная машина проходит различные климатические зоны или условия работы данного узла постепенно изменяются из-за износа соседних механизмов и узлов, которые генерируют постепенно возрастающие вибрации, тепловыделение и т. п. Эти воздействия для данного элемента машины являются внешними, так как не связаны с состоянием самого узла. В указанных случаях % =£ const и, следовательно, отказы не будут подчиняться экспоненциальному закону, который характерен для неизменной внешней обстановки, приводящей к возможности появления внезапных отказов.
3.	Область применения экспоненциального закона.; Экспоненциальный закон пользуется большой популярностью в теории надежности. Он является однопараметрическим и позволяет весьма просто подсчитывать вероятность безотказной работы. Как будет показано ниже, его также весьма удобно применять при расчете надежности сложных систем. Понятие интенсивность отказов, или обратную величину 7\р = -^—среднюю наработку до отказа, широко применяют для оценки надежности радиоэлектронных, а в ряде случаев и механических устройств. При этом, как правило, не разграничивают, относятся ли отказы к внезапным или постепенным. Вместе с тем условие 1 = const соответствует случаю, когда время предшествующей работы изделия не оказывает влияния на вероятность его отказа в данный промежуток времени, т. е. для схемы только внезапных отказов. Такое положение кажется любому практику неоправданно идеализированным, особенно в области машиностроения. Ведь все машины изнашиваются, стареют и вероятность их безотказной работы с течением времени падает.
Перенос экспоненциального закона в область машиностроения привел к широкому диапазону мнений о возможностях его приме-146
Рис. 46. Сравнение экспоненциального закона с законом для постепенных отказов
нения. В литературе можно встретить утверждения о его универсальности и о его практической неприменимости для машиностроения. Применение
экспоненциального закона в одних случаях дает удовлетворительный результат, в других может вызвать недоумение. Например, из формулы (49) следует, что для обеспечения высокой степени безотказности изделия средний срок службы Тср должен быть значительно выше допустимого времени работы t — Тр.
Рассчитаем по формуле (50) средний срок службы деталей, необходимый для обеспечения вероятности безотказной работы Р (t) = 0,999, в течение t = 10 ч:
^ср = !__р	= 1—0,999 == 10 000 ч-
Это значение среднего срока службы по сравнению с допустимым t = 10 ч для постепенных отказов представляется нереально большим. Поэтому встает вопрос об области применения экспоненциального закона. Возможно ли и при каких условиях использовать его для постепенных отказов?
Для этого рассмотрим в одном масштабе закон распределения сроков службы, характерный для постепенных отказов fn (t), и экспоненциальный закон f3 (t) (рис. 46).
При высоких требованиях к безотказности изделия период его непрерывной эксплуатации, т. е. его ресурс Тр ограничивается некоторым значением допустимой вероятности безотказной работы Р (t).
Для высоконадежных систем, например для авиационной и космической техники, это значение порядка Р (/) — 0,99999 и выше, для обычных машин оно также достаточно высоко (порядка 0,99 и выше).
Вероятность отказа, которая характеризуется площадью F —
—	очень мала, и в случае применения любого закона
о
используется лишь тот участок кривой f (/), который соответствует зоне редких событий, удаленной от центра группирования.
В этой области законы распределения теряют свою индивидуальность и приобретают общие черты, характерные для редких событий. Так, например, в данной области интенсивность отказов (0 и плотность распределения f (t) практически не отличаются Друг от друга, так как Р (t) близко к единице.
147
Если проанализировать поведение «хвостов» различных законов плотностей вероятностей f (t) в области малых значений F (/) (порядка 0,001 и ниже), то можно показать, что все они могут дать с достаточной для практики точностью одинаковый результат. При этом надо иметь в виду, что оценка надежности за данный период 0 < t < Тр сводится к определению вероятности отказа [площадь под кривой f (/)] без необходимости выявления закона распределения сроков службы.
Поэтому можно считать допустимым и оправданным применение экспоненциального закона для расчета надежности систем с высокими требованиями безотказности для любой схемы отказов (для внезапных и постепенных отказов), если этот закон применим для оценки данной вероятности отказа, значение (или порядок) которой известно из практики или задано.
Однако следует всегда иметь в виду, что распространение этого закона на область с большими значениями t > Тр, чем те, для которых определено %, может привести к грубым ошибкам и неправильным выводам.
В такую ошибку нередко впадают при определении математического ожидания (среднего срока службы) изделия или времени работы изделия между двумя отказами.
Из рис. 46 видно, что прн совмещении участков кривых f3 (/) и fn (/) в области 0 < t < Тр условие f =- j f(t) dt= 1 озна-o чает, что математическое ожидание экспоненциального закона М (/э) должно быть в десятки тысяч раз больше математического ожидания постепенных отказов М (/п), так как площадь кривой /3 (/), почти совпадающей с осью абсцисс, должна равняться площади, ограниченной кривой /п (/).
Так, например, при использовании экспоненциального закона появился расчет надежности, на основании которого время между двумя отказами космического устройства «Маринер» определено в 20 000 лет, что, конечно, не соответствует действительности.
Общий вывод, который можно сделать о возможности применения экспоненциального закона для машиностроения, где наиболее характерны постепенные отказы, следующий.
Экспоненциальный закон — это констатация, статика явлений и его применение допустимо лишь при анализе и расчете надежности систем, уже обладающих высокой безотказностью.
Но его нельзя применять для случаев прогнозирования поведения этих систем при повышении ресурса и для оценки тех мероприятий, которые потребуются для повышения их надежности в пределах, выходящих за значение принятого ресурса.
4.	Одновременное проявление внезапных и постепенных отказов. Во многих случаях, когда изделие подвержено постепенным отказам, одновременно существует опасность выхода его из строя также из-за внезапных отказов.
148
При совместном действии постепенных и внезапных отказов значение Р (t) может быть подсчитано по теореме умножения вероятностей, так как событие — безотказность работы детали за время t заключается в выполнении двух условий: безотказности от износных повреждений Рп (/) и безотказности от внезапных выходов из строя Рв (t). При независимости этих отказов
P(t) ==Ри(0Рв(0.	(52)
Таким образом, если известны параметры законов распределения (Тср; о; %), можно подсчитать вероятность безотказной работы элемента или узла.
Так, если износные отказы подчиняются закону распределения (31), а внезапные — экспоненциальному, формула (52) примет следующий вид:
Р(Т) = [о,5 + Ф (	I е-^.	(53)
t	\	V Оа — ЯуТ	/ J
Из рис. 47, а следует, что в начальный период работы детали основное влияние на Р (/) оказывают внезапные отказы, а затем все большее значение приобретают постепенные отказы.
В некоторых случаях физика отказа настолько сложна, что содержит в себе элементы как износных, так и внезапных отказов.
Например, весьма распространенный случай выхода из строя деталей по причине усталости тела детали или поверхностных слоев (подшипники, зубчатые передачи) связан с развитием усталостной трещины в зоне местной концентрации напряжений, технологического дефекта или начального повреждения.
Период времени до зарождения микротрещины характеризуется признаками внезапного отказа, а процесс разрушения — признаками износного отказа. В этих случаях для вероятностной характеристики отказов нередко применяют такие законы распределе-
но
ния, которые могут отражать своеобразие причин и процессов, приводящих к отказу детали.
К таким распределениям относится, например, закон Вейбулла (табл. 10), который характеризуется двумя параметрами — т и Т
Однако более правильно в этом случае не просто подбирать подходящий закон, а рассмотреть схему возникновения отказа, поскольку имеет место последовательное действие причин, приводящих к отказу. Вначале должна проявиться причина (событие Л), приводящая к последующему процессу разрушения. Возникновение события А подчиняется закономерностям внезапного отказа. Затем наступает процесс старения (износ, развитие усталостной трещины), в результате чего может возникнуть отказ. Это событие В— зависимое от А, т. е. (В/А), так как процесс старения может начаться только после появления причины А.
Отказ от действия этих двух причин является сложным событием (Л - В), так как для его возникновения необходимы и событие Л и событие В. Поэтому по теореме умножения вероятность отказа будет равна
В(ЛВ)«Г(Л)Г(В/Л),	(54)
или учитывая, что вероятность безотказной работы для внезапных отказов Рв =1 — F (Л), а для постепенных Рп = 1 —F (В/Л), получим
Р(0=1—(1 ~РВ)(1—Рп).	(55)
Например, если для данных условий Рв — 0,9 и Рп = 0,95, то при одновременном действии внезапных и постепенных отказов по формуле (52) Р (0 = 0,855, а при последовательном по формуле (55) Р (0=0,995. Высокое значение Р (0 во втором случае объясняется тем, что при последовательном действии отказов после возникновения события Л (например, зарождение трещины) у изделия остается еще большой запас работоспособности по старению.
В ряде случаев может иметь место такая схема взаимодействия постепенных и внезапных отказов, когда старение снижает уровень сопротивляемости изделия внезапным отказам (рис. 47, б). Тогда в течение некоторого периода времени То, когда экстремальные пиковые нагрузки Q3K меньше допустимых @доп, опасности возникновения внезапных отказов нет. При падении допустимых значений фдоп (0 из-за старения изделия, начиная со значения Фэк — Фдоп, появляется вероятность возникновения внезапного отказа. Поэтому кривая Р (0 имеет зону с Р (0 = 1, которая называется «порог чувствительности» (0 < t < То), после чего кривая Р (0 подчиняется экспоненциальному или иному закону внезапных отказов.
5.	Случайный поток отказов. Выше, при рассмотрении различных моделей отказов, оценивалась вероятность их возникно-150
t
Рис. 48. Случайный поток отказов (а) и изменение параметра потока отказов по времени (б) вения и не рассматривалась последующая работа изделия. Как правило, для восстановления утраченной работоспособности машины создается специальная система ремонта и профилактических мероприятий. Последующая эксплуатация машины и вероятность возникновения повторных или новых отказов тесно связана с содержанием и структурой данной системы.
Рассмотрим случай, который обычно считается в теории надежности основным, когда после возникновения каждого отказа восстанавливается работоспособность изделия и оно вновь работает до следующего отказа. Поскольку время до наступления отказа — случайная величина, получим случайный поток отказов.
Вообще под потоком событий понимается последовательность однородных событий, происходящих одно за другим в какие-то моменты времени. Если эти промежутки времени строго опреде-лены/будет иметь место регулярный поток событий, если'они случайны, то будет случайный поток событий (рис. 48, а). Чаще всего рассматривают простейшие (стационарные пуассоновские) случайные потоки, которые обладают свойствами стационарности, ординарности и отсутствием последействий.
Основной характеристикой случайного потока, как это было показано выше (см. гл. 1, п. 2), является параметр потока отказов со — условная плотность вероятности возникновения отказа восстанавливаемых изделий для рассматриваемого момента времени (ГОСТ 13377—75), т. е. среднее число отказов в единицу времени после момента t
<&(t)--d^~,	(56)
где Q (/) — математическое ожидание числа отказов за время t (эту характеристику иногда называют ведущей функцией).
Потоки отказов могут быть простыми, когда происходят отказы одинаковых или однородных элементов, и сложными, состоящими из простых, когда учитываются различные виды отказов.
Поскольку среднее число отказов (математическое ожидание) Й за время / для сложного потока равно сумме этих характеристик для каждого из простых потоков, т. е.
Q = Q1 + Q3+...+Q„,	(57)
151
то, дифференцируя это равенство и учитывая (56), получим
= У, (О/.	(58)
1
Таким образом, параметр сложного потока отказов со равен сумме параметров потоков его составляющих. Этот вывод часто используют при анализе отказов различных элементов и систем сложных изделий. Например, рассматривая поток отказов всей машины/разбивают его на потоки отказов механических, гидравлических, электромеханических и электронных систем или разделяют машину на функциональные системы и узлы и оценивают удельный вес каждого простого потока отказов.
Параметр потока отказов в общем случае является функцией времени — он зависит от того значения t = Т, после которого оценивается о. Если Т меньше или близко к математическому ожиданию срока службы Тср, то на значении со будут сказываться особенности данного закона распределения (рис. 48, б). Если же рассматриваются такие отрезки времени t — Т, когда произошло значительное число отказов, т. е. Т Тср, то происходит стабилизация со и
lim = —L_ — (о — const.	(59)
/->00 r	1 ср
Таким образом, чем больше рассматриваемый промежуток времени, тем ближе значение параметра потока отказов к 1/Тср независимо от законов распределения /(/). Это свойство называют асимптотическим поведением потока отказов [43]. При экспоненциальном распределении параметр потока отказов совпадает с интенсивностью отказов К = -=?—. Таким образом, для любых „ <ср
законов распределения случайный поток отказов со временем становится стационарным (о = const), а при экспоненциальном законе он стационарен сразу. Аналогичный подход часто применяют и для случайного потока восстановлений, понимая под этим случайные промежутки времени, необходимые для восстановления работоспособности изделия после каждого возникшего отказа. Такие методы анализа надежности используют, например, для анализа работы автоматических станочных линий [31], особенно в периоды их пуска и освоения, когда число отказов значительно. Часто такой метод анализа надежности и рассмотренную схему возникновения потока отказов и потока восстановлений считают чуть ли не основной. При этом поток восстановлений рассматривается как следствие потока отказов, так как потребность в ремонте возникает после каждого отказа изделия.
Однако применительно к машинам такая схема охватывает лишь небольшой круг явлений, и при использовании рассмотренных методов необходимо учитывать специфику машиностроения* 152
Для машин периоды восстановления утраченной работоспособности назначаются заранее определенной системой ремонта и обслуживания, и, как правило, ремонт производится через равные промежутки времени (см. гл. 12, п. 2).
Чем выше требование безотказности, тем меньше вероятность того, что машина будет ремонтироваться после наступления отказа. Как правило, машина ремонтируется (или осуществляются профилактические и контрольные мероприятия) задолго до возможного наступления отказа (см. рис. 46, где Тр Тср).
Поэтому поток отказов не носит случайного характера — это заранее запланированный поток с назначенными промежутками времени То между периодами восстановлений, т. е. это регулярный поток. Поток отказов, подчиняющийся классической схеме, когда восстановление осуществляется после наступления отказа, существует только для деталей, срок службы которых находится в пределах 0 < t < То, т. е. охватывает незначительное число малоответственных элементов машины, особенно если требования безотказности высоки.
Если же отказывают детали с более высокими сроками службы, то это свидетельствует либо о нерациональном назначении межремонтного периода, либо о недостаточном контроле за состоянием изделия. В этом случае поток отказов не будет, как правило, стационарным. Полное использование потенциального срока службы изделия или его элемента и последующий ремонт или замена, как это принято в классической схеме возникновения потока отказов (см. рис. 48, а), допустимы лишь для случаев, когда последствия отказов не вызывают больших экономических потерь, поскольку обеспечена быстросменность вышедшего из строя элемента, и когда внезапная остановка не опасна для обслуживающего персонала и машины.
В характерных для машин условиях эксплуатации, при которых основной объем ремонтных работ осуществляется в соответствии с установленной системой, поток восстановлений не является следствием потока отказов. Он определяется по потенциальной возможности отказа, а не из условия его обязательного возникновения. Так, отказов может совсем не быть, т. е. Р (t < То) = 1, а поток восстановлений будет существовать. Именно его наличие и обеспечивает безотказность работы системы за период времени / = То.
Вероятностная задача при анализе процессов восстановления и отказов заключается в первую очередь в выборе межремонтного периода Т0, исходя из заданной вероятности безотказной работы Р (/). В этом случае необходимо рассмотреть законы распределения сроков службы всех элементов изделия, оценить значение Р (/) как функцию t = То, установить границы допустимых значений 1\ или Р (t) на основе рассмотрения различных моделей отказов.
153
Поток отказов, возникающий в пределах 0 < t < То, и его параметры являются критерием для оценки правильности выбора Т\ — длительности непрерывной работы машины или длительности межремонтного периода. Но эти данные не могут быть использованы для оценки возможностей повышения ресурса машины, так как информация для таких суждений недостаточна, она не охватывает периодов эксплуатации машины с t > То.
Следует также иметь в виду, что оценка надежности по параметру потока отказов для длительных периодов Т > Гср, когда стабилизируется значение со = const, будет соответствовать весьма низкой вероятности безотказной работы Р (I) —* 0. Например, при экспоненциальном законе, рассматривая промежуток времени t = 3 Тср, вероятность безотказной работы будет
____t
P(t) — e гсР = 2,73”3= 0,05.
Поэтому использование экспоненциального закона для под-счета Р (/) при t > Тср, как это часто рекомендуется в теории надежности, не имеет смысла (хотя формально верно), так как низкие значения Р (/) исключают этот показатель для оценки надежности (см. табл. 2).
Применять понятие о потоке отказов и определять его параметры целесообразно лишь для оценки несовершенства машины и методов ее эксплуатации с позиций надежности. В этом случае повышенное значение со является сигналом обратной связи о необходимости вносить соответствующие коррективы в конструкцию или методы эксплуатации машины.
Параметр потока отказов со, особенно при оценке отказов разнородных элементов и узлов машины, является показателем общего достигнутого уровня надежности, который лишь в отдельных случаях (при наличии элементов с значительно более низкой надежностью, чем остальные) может быть использован для выявления малостойких элементов.
4. Общая схема потери машиной работоспособности
1. Схема потери машиной работоспособности при заданной длительности непрерывной работы. Рассмотренные выше модели отказов описывали потерю изделием работоспособности от воздействия тех или иных процессов, протекающих с некоторой скоростью. В действительности, если рассматривать машину или сложное изделие, картина осложняется тем, что имеют место категории процессов, различные по скорости их протекания. На машину действуют и быстропротекающие процессы, и процессы средней скорости, и медленные процессы (см. гл. 1, п. 3). Кроме того, каждое изделие или машина характеризуется несколькими выходными параметрами и ее область работоспособности в общем слу-154
чае описывается в n-мерном фазовом пространстве (см. гл. 1, п. 5). При этом за счет ремонта и технического обслуживания могут частично или полностью восстанавливаться утраченные характеристики. Рассмотрим с указанных позиций общую схему потери машиной работоспособности, т. е. такую модель отказов, которая учитывает процессы разной скорости.
Для случая, когда выходные параметры изделия Х2; . . . . . .; Хп рассматриваются как независимые, область работоспособности по каждому параметру и ход процесса X (/) целесообразно изображать в координатах X — t. Здесь значение X = Хтах ограничит область работоспособности изделия по данному параметру, а суждение о потере работоспособности по всем п параметрам можно сделать, пользуясь методами оценки вероятности безотказной работы сложных систем (см. гл. 4).
Рассмотрим случай (рис. 49), когда задано время непрерывной работы машины То, в течение которого не производится ее техническое обслуживание. Это время до подналадки машины, длительность смены (технологические машины), длительность рейса (транспортные машины), время до текущего ремонта или другой период, определяемый условиями эксплуатации.
Пусть X — один из параметров характеризующих работоспособность машины (точность работы, мощность, КПД, производительность и др.), а 6 — та часть, на которую параметр может быть изменен (ухудшен) без выхода его за допустимые пределы. Значение 6 учитывает запас на «износ» (в широком смысле) и определяет те допустимые погрешности в работе машины, которые не приводят к нарушению ее работоспособности.
155
Процесс изменения параметра X с течением времени /, т. е. процесс изменения состояния машины, представляет собой общую модель постепенной потери машиной работоспособности, происходящей при ее эксплуатации.
В основе рассматриваемой модели лежит классификация процессов повреждения по скорости их протекания (см. гл. 1, п. 3).
Каждая машина имеет начальные погрешности, которые зависят от ее конструкции, степени совершенства изготовления и определяют начальную неточность функционирования а0. Эта неточность наблюдается и в том случае, если отсутствуют процессы, изменяющие параметры машины.
Как только машина начинает работать, быстропротекающие процессы приводят к дальнейшему увеличению погрешностей функционирования. Так как имеет место случайный характер этих процессов, то изменение параметров машины будет оцениваться законом распределения и его полем рассеивания Лх. Границы интервала A ь как и других областей рассеивания, определяются принятыми допустимыми значениями вероятности попадания параметра X в заданную область.
Если имеется несколько одновременно действующих факторов, то суммарный эффект может быть оценен вероятностным методом сложения дисперсий отдельных процессов. Так, при начале работы машины могут действовать две основных причины — происходит рассеивание параметра X относительно центра группирования а0 в пределах поля Лн за счет погрешностей изготовления и настройки машины и рассеивание параметра X в пределах поля Ав в результате вибраций машины или деформаций ее элементов при работе в различных режимах. В этом случае поле рассеивания Лх параметра X будет складываться из Лн и Лв. Применяя теорему о сложении дисперсий независимых случайных величин [221, т. е. вероятностный метод сложения, получим
Я! = ул2н + л1.	(60)
Здесь рассеивание происходит относительно центра группирования, определяемого координатой а0.
, Влияние процессов средней скорости проявляется в том, что центр группирования смещается за период То на величину яс, (на схеме оно условно изображено линейным) и имеет рассеивание. Поэтому ас (0 следует рассматривать как случайную функцию времени с зоной рассеивания Лс. Из процессов средней скорости часто ведущую роль играют тепловые деформации машин.
Зона рассеивания Л 2 относительно смещенного центра группирования складывается из Ах и Лс:
Лг == А% + Ав + Ло«	(61)
156
Таким образом к концу периода То остается неизрасходованный резерв 6Н по параметру X, равный
6Н = 6 — [#о + Яс + 0,5 j/*Ан -}* Лв -f- >1с].
(62)
Поле рассеивания параметра X за этот период определяется областью состояний I (рис. 49).
Запас надежности Кн (см. гл. 1, п. 2) можно определить как отношение максимально допустимого значения параметра X = = Хтах = 6 к экстремальному его значению для данных условий •ХЭк = б 5Н*
' __ Хтах________
« “ Хэк “	•
(63)
Следует подчеркнуть, что в данном случае экстремальное значение параметра X определено допустимой вероятностью значения, которое может принимать данный параметр, а не оценкой физических процессов потери изделием работоспособности, т. е. областью Gv в общей схеме, приведенной на рис. 8. Часто принимают шестисигмовую зону рассеивания параметра, соответствующую при нормальном законе распределения вероятности 0,9986 попадания в нее параметра, хотя это значение ничем не обосновывается и, в принципе, не может быть единым для различных случаев.
При наличии запаса надежности Ка >1 или, что то же самое, резерва 6Н, надежность машины весьма высока, так как вероятность выхода параметра X за пределы 6 мала, меньше регламентированного ее значения. Опасность представляют лишь внезапные отказы от внешних воздействий, не связанных с состоянием самой машины.
Однако при продолжительной эксплуатации машины начинают проявляться медленно протекающие процессы, такие как износ, коррозия, коробление и др., которые приводят к уменьшению запаса надежности.
Изменение параметров, определяющих работоспособность машины, будет происходить со временем в результате следующих причин:
увеличение зоны Ав — в результате роста зазоров в сопряжениях, изменения жесткости и других характеристик, влияющих на быстропротекающие процессы;
увеличение зоны Ац — в результате износа и старения настроечных узлов машин;
увеличение а0 — вследствие износа, коробления и других изменений, которые имеют место в основных сопряжениях и узлах машин. Обычно это главный параметр, влияющий на снижение работоспособности машины;
увеличение ас и Ас — в результате повышения тепловыделения из-за роста коэффициента трения, возрастания нагрузок и других явлений, происходящих при изнашивании механизмов.
157
Функциональную зависимость каждого процесса во времени можно определить в результате испытаний или путем расчета и прогнозирования. Эти зависимости могут быть линейными (как это изображено для простоты на рис. 49) или нелинейными функциями. Например, температурные деформации, как правило, подчиняются зависимости, близкой к экспоненциальной, когда со временем происходит их стабилизация.
При длительной эксплуатации машины происходит увеличение зоны рассеивания ее параметров (область IJ), что приводит к увеличению вероятности выхода параметра X за пределы допуска, т. е. к уменьшению вероятности безотказной работы машины.
Предельное состояние машины наступит в момент времени, при котором запас надежности будет израсходован, Кн — 1 (или 6Н = — 0). Время работы t = Tv до потери машиной работоспособности и будет являться ресурсом по данному параметру. Это будет гамма-процентный ресурс (см. гл. 1, п. 2), так как ему соответствует регламентированная вероятность безотказной работы.
Начиная с момента времени t == Ту машина нуждается в ремонте для полного или частичного восстановления утраченной работоспособности.
Если по каким-либо причинам эксплуатация машины продолжается и вероятность отказа F (/) превосходит допустимое значение, то можно принять одно из следующих решений (рис. 49, справа):
1)	уменьшить допускаемое время непрерывной работы до значений T'q < То, при котором 6Н = 0;
2)	уменьшить режимы работы машины с тем, чтобы было обеспечено 6Н > 0 (заштрихованная зона);
3)	допустить увеличение опасности отказа машины, усилив контроль за ее функционированием.
Все эти меры являются временными, так как приводят к снижению эффективности работы машины (например, ее производительности) и к увеличению затрат на обслуживание. Поэтому ресурс машины Тр — Tv определяется ее наработкой до Кн = 1, т. е. до такого состояния, при котором последующая эксплуатация машины не обеспечит регламентированного значения вероятности безотказной работы у за период непрерывной эксплуатации машины в течение заданного периода То.
Типичными примерами машин, для которых заранее регламентировано время работы до очередной подналадки и технического обслуживания, являются многие типы металлорежущих станков, автомобили (Т0 — км пробега), самолеты (TQ — длительность одного или нескольких полетов) и другие машины.
Это наиболее типичный случай эксплуатации машин, так как с точки зрения организации системы ремонта и технического обслуживания (см. гл. 12, п. 2) и удобства эксплуатации более целесообразно иметь равные, заранее запланированные периоды непрерывной работы машины.
158
2. Расчет вероятности безотказной работы машины по данному выходному параметру. Для расчета вероятности безотказной работы машины по заданному параметру можно использовать тот же методический подход, что и для модели постепенных отказов [см. гл. 3, п. 2, формулы (31) и (32)1. Однако одновременное действие процессов различных скоростей усложняет общую картину потери машиной работоспособности и заставляет рассматривать формирование отказа в два этапа.
Первый этап состоит в оценке области рассеивания параметров (области состояний) к концу периода TQ (рис. 50). Она характеризуется: координатой центра группирования
а’ = а» + ас (t)	(64)
и средним квадратическим отклонением
О = *|/"Оа	Он + °в + {&сТо)2>
(65)
где сга; сгн; ов и ас — средние квадратические отклонения параметра соответственно из-за начальных прогрешностей, настройки машины, вибраций и рассеивания скорости процесса смещения центра группирования.
Математическое ожидание процесса средней скорости в общем виде также может быть функцией времени.
Эти параметры являются исходными для расчета Р (/) по схеме рис. 40 и формуле (31).
159
Второй этап сводится к применению формулы (31) (при линейном изменении параметра) для случая, когда экспериментально или теоретически определены средняя скорость изменения степени повреждения (или параметра) уср (или уср.х) и ее дисперсия Оу (или оу. В результате формула (31) примет вид
б — ай — az — усрГ
Р(Г) = 0,5 + Ф
]/"°а + °н И" + (°сГо)2 + (°уГ)2
(66)
В общем случае дисперсии процессов также могут быть функциями времени
Следует иметь в виду, что запас надежности, которым обладает машина, определяется (рис. 50) либо реализацией /, оценивающей границу регламентированной вероятности принятия параметром данного крайнего значения, либо реализацией 2, соответствующей максимальной скорости процесса утах при наиболее неблагоприятных (а иногда и аварийных) условиях работы машины.
3. Схема потери машиной работоспособности при эксплуатации до первого отказа. Для ряда машин не предусматривается регламентированного периода непрерывной работы. В этом случае эксплуатация машины ведется до первого отказа или в течение того периода времени То, когда обеспечивается заданная вероятность безотказной работы. После этого производится подналадка (регулировка) машины и другие виды технического обслуживания вплоть до ремонта, которые восстанавливают работоспособность машины, и она может вновь нормально функционировать.
Такой вариант работы машины показан на рис. 51. Здесь время непрерывной работы То является случайной величиной и характеризуется некоторым законом распределения. При действии различных процессов длительность периода TQ [его среднее значение или соответствующее заданной вероятности безотказной работы Р (/) 1 снижается. Предельное состояние работы машины наступит, когда То достигнет минимально допустимого по условиям эксплуатации значения. Это значение (T0)mlQ и будет определять ресурс Тр машины по данному параметру.
В этом случае запас надежности можно определять как
К ____	(0
Ан (To)min *
(67)
где То (t) — длительность непрерывной работы машины до заданного уровня надежности, определяемого допустимым значением вероятности безотказной работы Р (/). При достижении То своего минимально допустимого по условиям эксплуатации значения, т. е. при То (0 = (^(Omin. будем иметь Кн = 1 и t = Тр.
Особенность данного метода эксплуатации машины заключается в том, что уже за первый период ее непрерывной работы достигается предельное состояние по одному из параметров. Это допустимо тогда, когда имеются возможности за счет нетрудоем-160
кого технического обслуживания восстановить утраченную работоспособность, так как изношенность всех элементов машины еще не достигла за этот период ощутимых значений. По мере дальнейшей эксплуатации машины износ всех ее элементов приводит к уменьшению оставшегося после технического обслуживания запаса надежности и длительность последующих периодов работоспособности машины сокращается.
При эксплуатации машин обычно трудно или вообще невозможно оценить тот период времени ее непрерывной работы То1, который соответствует заданной вероятности безотказной работы Р (t), так как закон распределения Т и его параметры изменяются в процессе эксплуатации машины.
Поэтому главным критерием для оценки надежности при данной схеме работы является среднее значение времени безотказной работы Тср (наработка на отказ), которое соответствует вероятности безотказной работы Р (t) = 0,5.
По изменению среднего значения времени работы машины до отказа и следует оценивать ее работоспособность.
Предельное состояние наступит тогда, когда среднее между отказами (или параметр потока отказов (о =	)
меньше допустимого значения Тср. mln. Запас надежности ждый период работы машины будет равен К = Гср = Цдоп
Н	Уср. mln Ф (0 ’
где (одоп — допустимое значение параметра потока отказов.
6 Проников А. С.	161
время станет
в ка-
(68)
(J», МКН
10.000 20.000 N
6)
Рис. 52. Потеря точности при работе внутришлифовального автомата:
1 — бабка изделия; 2 — штыри торцовой опоры; 3 — башмаки; 4 — шлифуемая деталь; 5 — алмаз правки круга; 6 — шлифовальный круг
Типичным примером машин, эксплуатируемых по данной схеме, могут служить шлифовальные станки-автоматы, применяемые в массовом и крупносерийном производстве, например бесцентровые внутришлифовальные станки-автоматы, предназначенные для окончательной обработки колец конических роликоподшипников (рис. 52) [193]. Основными выходными параметрами, характеризующими их точность, являются погрешности обработки внутреннего диаметра Хх = Ad шлифуемого на станке кольца, половины угла конуса Х2 = Да, неперпендикулярности оси шлифуемого отверстия к базовому торцу Х3 — АН и шероховатость поверхности, которая может оцениваться средним арифметическим отклонением профиля Х4 = Ra, Работа станка продолжается до тех пор, пока любой из указанных параметров не выйдет за границы установленного для него поля допуска.
После этого производится подналадка станка. Она может производиться либо в принудительном порядке, по истечении регламентированного отрезка времени, либо после появления первого отказа по точности. В последнем случае межналадочный период То является случайной величиной.
Цикл станка предусматривает черновую подачу, правку шлифовального круга и чистовую подачу. Поэтому неравномерный износ шлифовального круга устраняется при каждом цикле.
Начальное мгновенное рассеивание параметров обрабатываемых деталей связано с быстропротекающими процессами — деформацией элементов станка и вибрациями системы. Причиной появления погрешностей обработки является износ механизма правки шлифовального круга и базовых поверхностей изменяющих взаимное положение инструмента и обрабатываемой детали.
На параметрическую надежность станка в первую очередь влияет износ следующих элементов: алмаза правки круга, башмаков, 162
определяющих радиальное положение заготовки, и опорных штырей торцевой опоры, сделанных из сплава ВК8. Все эти элементы, хотя и выполнены из износостойких материалов, но работают в напряженных условиях и поэтому изнашиваются достаточно интенсивно, что непосредственно сказывается на точности обработки.
Износ алмаза влияет на диаметр обрабатываемой поверхности и ее форму. Неравномерный износ опорных штифтов влияет на неперпендикулярность Н и угол а, износ башмаков изменяет положение заготовки при ее вращении. Указанные процессы изнашивания относятся к процессам средней скорости, так как протекают за время непрерывной работы станка. Например, параметр, оценивающий неперпендикулярность торца к оси Х3 = АН;
как показали исследования при обработке прецизионных колец и нормальном законе рассеивания значений Х3 данный параметр будет находиться в пределах допуска при обработке N = 180 колец (рис. 52, б) с вероятностью Р = 0,9986 (т. е. при учете ше-стисигмовой зоны рассеивания). Если же допускать вероятность отказа до 10% [Р (/) = 0,9], то это будет соответствовать периоду работы при шлифовании АГ = 400 колец.
В рассматриваемом случае осуществляется контроль всех обрабатываемых изделий и поэтому допустима работа станка до первого отказа по точности (обычно такой отказ фиксируют по более строгому условному допуску, чтобы не получать бракованных изделий). Тогда в среднем отказ будет происходить через промежуток времени, соответствующий вероятности Р (/) = 0,5 выхода параметра за пределы допуска. В данном случае подналадку станка по параметру Х3 следует делать в среднем после обработки 1200 колец.
Однако с течением времени из-за износа элементов станка обнаруживается постепенная потеря точности, которая выражается в увеличении поля мгновенного рассеивания и в ускорении смещения центра группирования. Так, исследования обработки 20 000 колец показали (рис. 52, а), что среднее квадратическое отклонение он рассеивания параметра Н изменялось от 1 до 1,25 мкм. Следовательно, среднее время до первого отказа (Тср) также будет сокращаться. Допустимая продолжительность этого времени диктуется условиями эксплуатации и возможностями технического обслуживания. Так, подналадка рассматриваемого станка должна производиться не чаще чем 1 раз в сутки. Это условие и будет определять значение ресурса станка.
4. Сравнение двух основных методов эксплуатации машин. Сравним рассмотренные выше два основных метода эксплуатации машин:
а) машина функционирует в течение назначенного периода; б) машина работает до отказа.
В первом случае (рис. 53) все периоды непрерывной работы машины То одинаковы и заранее установлены. После каждого периода осуществляются профилактические мероприятия и произво-6*	163
Рис. 53. Эксплуатация машины при То = const
дится ремонт в соответствии с фактической потребностью машины в восстановлении работоспособности. Работоспособность машины по данному параметру характеризуется полем его рассеивания (областью состояний) в пределах каждого периода То.
С течением времени область состояний изменяется и вероятность выхода параметра за пределы допуска возрастает. Значение параметра Xv, соответствующее данной вероятности у выхода параметра за пределы допуска, ограничивает область состояний машины.
Средний ресурс машины Гср по данному параметру определится из условия, что математическое ожидание М [X (/)] = Хтах.
Назначенный ресурс Трн будет определять период, в течение которого область реализаций случайного процесса находится в заданных пределах X < Хтах в рассматриваемой схеме Трн — 3TQ.
На рис. 53 показана одна из реализаций процесса X (/).
В последнем третьем периоде эксплуатации машины данная реализация не превысила даже своего среднего значения. Поэтому данная конкретная машина еще обладает некоторым запасом работоспособности и ее фактический ресурс может быть увеличен до некоторого значения Трф, обеспечивающего заданную безотказность изделия, например до Трф = 4Т0.
Поэтому следует различать назначенный ресурс Тр„, который обеспечивает нахождение области состояний в заданных пределах (X < Хтах), т. е. внутри области работоспособности, и фактический ресурс Грф, который обеспечивает нахождение данной реализации процесса в требуемых пределах:
< Грф.	(69)
Данный метод эксплуатации машин имеет то неоспоримое преимущество, что он дает возможность заранее назначить равные промежутки времени для проведения мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту. Однако в первый период эксплуатации имеется больший запас надежности и вначале эти мероприятия носят в основном профилактический и диагностический 164
характер. Возможности машины по непрерывной работе используются не полностью.
Во втором случае, т. е. при эксплуатации машины до возникновения отказа (рис. 54), периоды до профилактических и ремонтных мероприятий То неодинаковы и являются случайными величинами Го1; Т02; .... Для исключения нежелательных послед* ствий отказа часто назначают условное предельно допустимое значение параметра Хус < Xmaxt достижение которого параметром X фиксируется как отказ.
Длительность периода TQ в среднем определяется временем достижения математическим ожиданием М [X (/)) значения Хус, а длительность конкретного периода TQl определится временем достижения данной реализацией предельного значения параметра. По мере эксплуатации машины среднее значение периода TQt уменьшается.
Ресурс Тн, назначенный по среднему значению периода То, будет в данном случае определяться минимально допустимым из условий эксплуатации значением (Т0/)ср-
Например, на рис. 54 показано, что, если (Т05)ср <(^оср)доп» 4
то Tw = 2 TQl. Область состояний машины в последнем периоде свидетельствует о возможности сокращения периода работы до отказа до весьма малых значений — (T'osJmin-
Здесь также допустимо некоторое продление ресурса до Трф > Трн на основе анализа конкретных реализаций процесса, однако эти возможности, как правило, незначительны, так как при рассматриваемом методе эксплуатации область работоспособности будет использоваться более полно.
В частном случае, если уменьшение значения (Т0/)ср идет крайне медленно, получим стационарный поток отказов, характеризующийся значениями Т01; Т02, . . ., с параметром потока
165
ю = —. В литературе, посвященной математической теории \* о)ср
надежности, обычно этот частный и не особенно характерный для машин случай, считают основным (см. гл. 3, п. 3).
Стационарный поток отказов встречается обычно тогда, когда имеется характерный и трудно устранимый вид отказа, который, однако, не приводит к тяжелым последствиям, а работоспособность машины легко восстанавливается. При этом все остальные узлы машины длительное время сохраняют свою работоспособность.
Например, обрыв нитей в ткацких станках связан с большими скоростями и сложными условиями, в которых работают батанный и челночный механизмы. Периоды между обрывами нитей образуют, как правило, стационарный поток отказов, хотя затем, при заметном износе механизмов, параметр потока отказов (т. е. число отказов в единицу времени) растет.
Основной недостаток эксплуатации машины с работой ее до отказа (рис. 54) заключается в трудности планирования технического обслуживания из-за значительного колебания фактических значений периода То, в необходимости постоянного наблюдения за параметрами машины с целью выявлений реализаций процесса X (/), в большей вероятности возникновения отказа, так как в течение каждого периода То используется весь запас надежности.
Поэтому для большинства машин более распространен первый вариант эксплуатации с заранее назначенными периодами непрерывной работы до планового технического обслуживания.
Изучение областей работоспособности и областей состояний является основой для прогнозирования поведения сложной системы и оценки ее надежности.
5. Анализ областей работоспособности и состояний. Как видно из рассмотренных моделей отказов и из общей схемы потери изделием работоспособности, надежность изделия определяется соотношением областей работоспособности (область допустимых значений выходных параметров) и состояния (область возможных значений параметров). Рассмотрим характерные виды этих областей для случая независимости выходных параметров, когда данную область можно изображать в координатах X — t (рис. 55).
Наиболее распространенный вид области работоспособности характеризуется постоянной границей (поле допуска), выход за пределы которой будет квалифицироваться как отказ (рис. 55, а). Однако граница этой области может занимать и случайное положение (см. гл. 3, п. 2), если требования к параметрам изделия устанавливаются потребителем (рис. 55, б). В этом случае одно и то же изделие, работая в областях с более жесткими требованиями к его параметрам, будет обладать меньшей надежностью, чем при работе с более широкими допусками на его технические показатели. В рассмотренных случаях требования к изделию не изме-166
Области работоспособности
Рис. 55. Варианты областей работоспособности и состояний
няются во времени. Сужение области работоспособности по мере эксплуатации изделия (рис. 55, в) возможно, если с течением времени повышаются требования к изделию, например, из-за конкурентной борьбы. Наоборот, иногда возможно расширение области работоспособности, например, для возможности дальнейшего использования изношенного изделия в новых областях, где требования к параметрам изделия могут быть ниже. Перевод изделия в другую категорию качества производится обычно после того, как оно отработало свой ресурс и осуществлен его средний или капитальный ремонт (рис. 55, г). Примером может служить перевод станка на обработку деталей меньшей точности, использование отработавшего ресурс авиадвигателя для различных стационарных установок и т. п.
Большое разнообразие имеют области состояний, которые определяются видом реализаций X (t) при различных условиях работы изделия.
Характер и вид реализаций X (/) зависят от многих факторов и поэтому области состояний могут обладать теми или иными специфическими особенностями.
Как известно, реализация Хт, описывающая границу области с заданной вероятностью у выхода параметра X за ее пределы, достигает своего предельного состояния при Xv = Xmax. Согласно принятым выше определениям отказ произойдет при выходе параметра за пределы Хтах, независимо от того, на какую величину он превзошел Хтах. Однако при работе многих узлов и машин степень изменения параметра за пределами Х^ может оказать решающее влияние на последствия отказа.
167
Например, падение мощности авиационного двигателя ниже установленного предела приведет к незначительным последствиям при малых отклонениях от нормы и к катастрофическим при резком падении мощности.
Поэтому возможно существование нескольких уровней предельных состояний, каждый из которых характеризуется своей степенью опасности последствий отказа. В частности, один уровень определяет параметрический отказ, а другой — отказ функционирования.
На рис. 55, д показан второй уровень предельного состояния Х2тах, выход за который допускается со значительно меньшей вероятностью, чем за Х1тах. Поэтому граница области Xv2 соответствует большей вероятности нахождения в ней параметра X, чем для Хт1, т. е. (у2 Yi). Потеря работоспособности наступит, когда период непрерывной работы будет TQ = Т2 (при Т2 <Тг).
Границы области состояний в вышеуказанных случаях определены на основании оценки вероятностной природы процесса, физическая сущность которого определяет общий его ход, а различные случайные воздействия приводят к дисперсии значений параметра.
Однако для высоконадежных систем часто необходимо оценить ход процесса потери работоспособности при экстремально возможных условиях эксплуатации.
Реализация ХэК на рис. 55, д получена не из оценки вероятностной природы процесса, а из анализа физических процессов разрушения (старения) при наиболее неблагоприятном сочетании факторов. Эта реализация определяет период Тэк, при котором обеспечивается безотказная работа машины.
Область состояний по данному параметру не обязательно ограничена линейными реализациями. Физика процессов старения может диктовать иной ход процесса потери начальных параметров.
На рис. 55, е и ж показаны два наиболее типичных случая нелинейных функций. Первый характерен стабилизацией процесса, что, например, имеет место при тепловых деформациях системы (см. табл. 9). В этом случае при наличии запаса надежности (т. е. при Xv < Xmax) период непрерывной работы машины 7\ (рис. 55, е) не лимитируется данным процессом и выбирается из условия эксплуатации и технического обслуживания машины. Лишь при израсходовании запаса надежности по данному параметру период Тг определяется из условия t = Тг при XY (/) =
Хтах.
Другой характер области состояний будет при таком виде реализаций процесса старения, когда после некоторого периода работы наступает процесс интенсивного (иногда практически мгновенного) возрастания параметра (рис. 55, ж).
Так, если при изнашивании изменяются условия трения, то процесс может принять недопустимые формы, что встречается, например, при износе режущего инструмента. Другой пример — 168
отказ двигателя внутреннего сгорания, когда нагар на свече зажигания достигает величины, при которой искра не возникнет. В этих случаях непрерывная работа в течение всего периода Tlt определенного из условия Xv = Xmax, нежелательна, так как интенсивное изменение параметра в зоне, близкой к Хтах, повышает вероятность преждевременного отказа.
Более целесообразно ограничить область состояний периодом Т2, определяющим переход реализации Xv в зону интенсивного возрастания.
Наконец, возможно такое формирование области состояний, когда изменение выходных параметров изделия происходит в два этапа (рис. 55, з). В первый период теряет работоспособность вспомогательный элемент (по параметру XJ, а затем начинает изменяться состояние основного элемента, определяемое параметром Х2. Например, вначале изнашивается уплотнение вала, которое препятствует проникновению пыли к опоре, а после достижения им предельного состояния начинается износ опоры. Предельное состояние этой основной пары (Х2тах) выбирается, например, по условию точности вращения. Таким образом, здесь формирование области состояний подчиняется схеме на рис. 37, когда начало Тъ процесса изменения выходного параметра Х2 (0 является случайной величиной. В рассматриваемом примере это значение Тв является следствием другого случайного процесса Хх (/).
Следует иметь в виду, что все рассмотренные случаи относятся к постепенным отказам, когда происходит изменение состояния самой машины. Влияние на надежность машин внезапных отказов, как правило, значительно меньше, чем износных.
5. Оценка предельного состояния изделия
1. Предельное состояние по степени повреждения и по выходному параметру. Предельное состояние характеризует выход изделия из области работоспособности. Это относится как к машине в целом, так и к ее узлам, деталям и элементам.
Требования к изделию с точки зрения точности функционирования, обеспечения технических характеристик, безопасности эксплуатации, влияния на окружающую среду, эффективности работы и др. оговариваются, как правило, в технических условиях. При достижении предельного состояния дальнейшая эксплуатация изделия должна быть прекращена (ГОСТ 13377—75), так как возникает потребность в ремонте или техническом обслуживании.
Во всех рассмотренных выше моделях отказов считалось, что предельно допустимое значение параметра Хтах известно. Однако установление нормативов и расчет Хтах является сложной задачей, требующей специального методического подхода. Основная трудность при этом заключается в том, что, как правило, конструктором назначаются допустимые пределы изменения выходных параметров только для машины в целом (мощность, точность, про-
169
изводительность и др.) или ее агрегатов, представляющих самостоятельные конструктивные узлы.
Однако для оценки надежности сложного изделия и для обеспечения требуемых нормативно-технических показателей необходимо установить предельно допустимые значения всех тех параметров элементов и деталей, от которых зависит работоспособность изделия в целом.
Следует иметь в виду, что предельно допустимое состояние может быть установлено как для степени повреждения изделия (£/тах), так и для выходного параметра (Хшах)- Хотя X и U связаны функциональной зависимостью (см. гл. 3, п. 1), оценка предельного значения для каждого из этих показателей имеет свой смысл.
Установление Хшах является основным, так как именно изменение выходного параметра определяет область работоспособности изделия. Выходной параметр изделия легче контролировать, и проверка условия работоспособности X < Хтах не представляет обычно принципиальных трудностей при эксплуатации изделия. Поскольку изменение выходных параметров изделия является следствием повреждений отдельных элементов, для восстановления работоспособности изделия надо решать вопрос, допустима ли степень повреждения отдельных элементов и какие из них требуют ремонта или замены. Поэтому наряду с назначением Хтах необходимо установить (7тах для повреждений, которые участвуют в формировании выходного параметра.
При этом могут быть три основных случая взаимосвязи Хтах и ^тах*
выходной параметр определяет (в основном) один из видов повреждения
*^тах = ^Апах»	(70)
выходной параметр определяется суммарным повреждением элементов с учетом их влияния через некоторое передаточное отношение k
Хшах Zj ^ЛАшах>	(71)
выходной параметр связан сложной функциональной зависимостью с предельными повреждениями элементов
ХШах«Ф(^;	Un).	(72)
Таким образом, предельные состояния по степени повреждения (i/max) должны назначаться, исходя из допустимых отклонений выходного параметра ХШах, и учитывать зависимость между X и показателями степени повреждения элементов изделия.
2. Критерии оценки предельного состояния по выходному параметру. Основным критерием предельного состояния изделия является то экстремальное значение параметра, которое допускается техническими условиями. Однако сам ход процесса измене-170
ния выходных параметров и наличие зон их резкого возрастания также служит критерием для установления максимально допустимых значений Хтах.
Возможны три основных группы критериев (табл. 13).
1.	В результате износа или других повреждений происходит скачкообразное изменение состояния изделия и оно перестает функционировать.
Например, потеря герметичности резервуара при коррозии, заклинивание механизма при его износе, поломка детали из-за хрупкого разрушения и т. п.
Здесь, как правило, трудно судить по выходному параметру о близости к предельному состоянию и более целесообразно регламентировать максимально допустимую степень повреждения Umax.
2.	В результате процесса повреждения имеется зона интенсивного возрастания выходных параметров изделия — рост вибраций, температуры, шума. Здесь, даже если эти параметры еще находятся в допустимых пределах, необходимо установить значение Хтах, соответствующее началу интенсификации процесса потери работоспособности (см. рис. 55, ж).
Таблица 13
Критерии предельного состояния
Вид повреждения	|	X		X Хщах		X		
		t 1-я группа		t 2-я группа		t 3-я группа
Потеря прочно- 1 ста и жесткости |	Хрупкое разрушение детали		Усталостное разрушение поверхности		Деформация в пределах упругости	
Тепловые де-1 формации 1	Возникновение тепловых трещин		Деформация с возникновением пластических зон		Деформация без изменения состояния материала	
1 Коррозия!	Сквозная коррозия емкости		Потеря несущей способности детали		Окисление поверхности	
1 Износ 1	Поломка в результате износа		Изменение вида изнашивания		Искажение формы поверхности трения	
171
3.	Основной случай назначения Хшах — когда процесс повреждения не имеет экстремальных зон и выходные параметры определяются установленными на изделие техническими условиями.
3.	Регламентация предельных состояний в нормативно-технической документации. Качество любого изделия характеризуется количественными показателями его свойств, которые и являются выходными параметрами. Стремление к созданию все более качественных изделий приводит к ужесточению требований к его выходным параметрам и к росту их числа. При установлении номенклатуры регламентируемых параметров должны учитываться следующие факторы.
Эффективность работы машины определяется ее назначением. Прогресс техники связан с ростом скоростей, нагрузок, температур, точности, производительности и других эксплуатационных показателей машин. Они определяют уровень развития машины, ее конкурентоспособность и составляют основное содержание ТУ, в которых должны быть указаны предельные значения выходных параметров.
Опасность дальнейшей эксплуатации машины может ограничить значение отдельных параметров, хотя эффективность ее работы может быть при этом достаточно высокой. Например ТУ могут устанавливать предельные значения на температуру масла в двигателе, на засоренность топлива, на деформацию конструкции и т. п., если это связано с опасностью нарушения нормальной эксплуатации и тяжелыми последствиями отказа.
Вредное влияние на окружающую среду. Ряд ограничений на выходные параметры машины может быть совершенно не связан с ее эффективностью, однако эти показатели оказывают недопустимое влияние на окружающую среду. Так, устанавливаются ограничения на шум машины, состав выхлопных газов автомобильного двигателя, уровень радиации, вибрации, температуры и другие показатели. Выход любого из них за установленные пределы будет являться также отказом, хотя сама машина при этом может прекрасно функционировать.
Аналогичная картина будет иметь место при оценке влияния работы отдельных агрегатов и механизмов машины на другие ее элементы. Тепловыделения, вибрации, деформации и другие изменения в работающем узле могут не влиять на его функционирование, но оказывать существенное воздействие на работоспособность других узлов и машины в целом. Данные показатели также ограничиваются предельно допустимыми значениями.
Трудоемкость восстановления. Изменение выходного параметра в допустимых по условиям эксплуатации пределах может иногда привести к такой степени повреждения изделия, при которой восстановление утраченной работоспособности будет связано с повышенной трудоемкостью. Например, на работоспособность цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания влияет ра-172
диальный зазор между цилиндром и поршневым кольцом. Однако износ зеркала цилиндра приведет к необходимости проводить трудоемкий ремонт, в то время, как при износе кольца осуществляется его замена. Поэтому допуск на предельное состояние — максимально допустимый износ кольца — должен назначаться с учетом минимального износа цилиндра.
Технические условия на выходные параметры различных машин и агрегатов служат основой для назначения допусков на предельные состояния для узлов и деталей, входящих в изделие.
При назначении технических условий на предельные состояния выходных параметров изделия выбираются лишь те, изменение которых возможно в процессе эксплуатации. Если опыт эксплуатации или расчет свидетельствуют, что данный выходной параметр не претерпевает изменений или эти изменения не регламентированы требованиями к работоспособности изделия, то ТУ не устанавливают и его предельных значений. Следует отметить, что сложность процессов функционирования и потери изделием работоспособности часто приводят к необоснованным назначениям ТУ на предельные состояния или к их отсутствию для ряда характеристик. Кроме того, численные значения допусков на выходные параметры часто устанавливаются для новых изделий и не оговариваются допустимые пределы их изменения. Поэтому весьма актуальной является задача по обоснованию и установлению запасов надежности по выходным параметрам изделия. При этом для современных машин часто целесообразно устанавливать нормативы не только на предельные состояния по выходным параметрам, но и по степени повреждения отдельных элементов машины, определяющих изменение ее характеристик. Так лимитируются предельные состояния по износу (гл. 7, п. 3), по степени деформации, по величине возникающих трещин и другим повреждениям. Например, существуют нормативы на предельные состояния агрегатов и узлов сельскохозяйственной техники, где указываются критерии и величины наибольших повреждений, при достижении которых узел и машина требуют капитального ремонта.
4.	Максимально допустимое значение выходного параметра как случайная величина. Во всех рассмотренных выше случаях предельно допустимое значение параметра являлось детерминированной (неслучайной) величиной, так как определялось конкретными требованиями к изделию.
Однако в отдельных случаях Хтах может быть и случайной величиной, имеющей дисперсию. Это будет иметь место, когда оценивается требование потребителя к изделию и его параметрам. Например, оценивая точность металлорежущего станка данной модели, можно учитывать его возможную работу в различных условиях с разными требованиями к точности обрабатываемых изделий. Для бесступенчатого вариатора при его применении в различных машинах могут предъявляться разные требования к точности осуществления передаточного отношения и т. п.
173
Во всех этих случаях допустимое значение выходного параметра будет характеризоваться математическим ожиданием и дисперсией, а схема возникновения отказа будет определяться вероятностью пересечения двух областей (см. гл. 4, п. 4) — области возможного существования параметра (область состояний) и области работоспособности.
Подводя итог вышесказанному, можно отметить, что предельно допустимые значения каждого выходного параметра Хтах устанавливаются на основании ТУ к эксплуатационным характеристикам изделия или исходя из закономерностей его изменения, с учетом требований к работоспособности других элементов или влияния данного показателя на окружающую среду. Следует учитывать также дисперсию Хтах при вариации требований потребителя и оценивать скорость выхода параметра за регламентированные пределы (см. рис. 55, д — где установлено два уровня Хтах).
5.	Максимальные и допустимые значения параметров с учетом системы ремонта. Для деталей и узлов, ремонтируемых при периодических плановых ремонтах, допустимые значения параметров Хдоп будут меньше или равны предельным Хгаах, так как изделие не должно выйти из строя в течение межремонтного периода. Если длительность межремонтного периода, т. е. время между двумя плановыми ремонтами, Т0, то за это время параметр изделия изменится на величину гДе — скорость процесса изменения параметра. Поэтому допустимое значение параметра Хдоп, начиная с которого при периодических ремонтах необходимо ремонтировать изделие, будет
ХДОП = ХШШ1-ТЛ7’().	(73)
Учитывая, что	, где Г — время работы изделия до
ремонта, получим
у ____ у _ ХдрпГо
Лдоп yvmax	»
откуда
*до„ = Х,пг •	(74)
1 + “тГ
Если k — данный периодический ремонт с момента последнего ремонта изделия, то время работы изделия будет Т =? feT0, и формула (74) примет вид
=	.	(75)
Эта формула верна при ух = const, т. е. при изменении выходного параметра с постоянной скоростью от нуля до некоторого предельного значения.
174
Например, известно, что точность обработки на станке должна находиться в пределах ^=0,05 мм, т. е. допустимая погрешность Хтах = 0,1 мм. Надо ли восстанавливать точность станка, если перед третьим плановым ремонтом фактическая погрешность обработки находилась в пределах Хф = 0,08 мм. Рассчитаем Хдоп по формуле (75):
Хдоп = 0,1 -4т = 0,075 мм < Хф.
Хотя выходной параметр еще и находится в допустимых пределах Хф < Хтах, но он выйдет за пределы в течение межремонтного периода, так как Хф > Хд0П — что недопустимо, и, следовательно, станок нуждается в восстановлении точности.
При рассмотрении моделей отказов и установлении предельных значений выходных параметров условно говорилось о возрастании X и о его максимально допустимом значении. Общий методический подход не изменится, если происходит уменьшение выходного параметра и его предельное значение будет минимально допустимым Хга1п. Например, для показателей прочности конструкции, для создаваемого в гидросистеме давления, для наибольшей скорости перемещения транспортных средств и ряда других параметров ограничивается их нижний предел.
Оценка предельного состояния изделия — необходимый этап при построении модели отказа.
ГЛАВА 4
НАДЕЖНОСТЬ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
1.	Сложная система и ее характеристики
1.	Понятие о сложной системе и ее свойствах? Большинство изде-ний машиностроения являются сложными системами, состоящими из отдельных узлов, деталей, агрегатов, систем управления и т. п.
Под сложной системой будем понимать объект, предназначенный для выполнения заданных функций, который может быть расчленен на элементы, каждый из которых также выполняет определенные функции и находится во взаимодействии с другими элементами системы.
Понятие сложной системы условно. Оно может применяться к отдельным узлам и механизмам (гироскоп, двигатель, система подачи топлива к двигателю), к машинам (станок, трактор, самолет), и к системам машин (цех машиностроительного завода, аэродромное оборудование, корабль и его оборудование).
Большей сложностью обладают, как правило, автоматизированные системы. Чем сложнее система, тем более разнообразны требования к ее функционированию и тем на большее число выходных параметров устанавливаются нормативы. Сложная система работает, как правило, в широком диапазоне условий эксплуатации и при различных режимах.
Современные машины состоят из десятков и сотен тысяч отдельных деталей, и все это должно надежно функционировать в течение заданного периода времени. Оценка их надежности представляет серьезную проблему, поскольку сложная система обладает специфическими свойствами, особенно, если ее структура, назначение и система управления приближаются к биологическим системам (кибернетические системы).
С позиций надежности сложная система обладает как отрицательными, так и положительными свойствами.
Факторы, отрицательно влияющие на надежность сложных систем, следующие.
Во-первых, это большое число элементов, отказ каждого из которых может привести к отказу всей системы.
Во-вторых, сложные системы часто являются уникальными или имеются в небольших количествах. В этом случае статистические данные не могут быть использованы для оценки их работоспособности. Это усугубляется также тем, что даже одинаковые системы работают в различных условиях эксплуатации и выполняют неодинаковые функции, поскольку их возможности весьма широки.
176
В-третьих, даже у систем и машин одинакового конструктивного оформления каждый экземпляр имеет индивидуальные черты. Незначительные вариации свойств отдельных элементов сказываются на выходных параметрах системы. Подобно биологическим системам и для технических устройств можно высказать следующее положение: чем сложнее система, тем большими индивидуальными особенностями она обладает. Это положение весьма важно и для разработки методов испытания сложных систем. Однако сложные системы обладают и такими свойствами, которые положительно влияют на их надежность.
Во-первых, сложным системам свойственна в той или иной мере самоорганизация, саморегулирование или самоприспособле-ние, когда система способна найти наиболее устойчивое для своего функционирования состояние.
Во-вторых, для сложной системы часто возможно восстановление работоспособности по частям, без прекращения ее функционирования. Например, в сложном технологическом комплексе допускается временное отключение отдельных участков для их ремонта и подналадки.
В-третьих, не все элементы одинаково влияют на надежность сложной системы. Многие из них сказываются лишь на эффективности ее работы.
Анализ работоспособности сложной системы связан с изучением ее структуры и тех взаимосвязей, которые определяют ее надежное функционирование. Важную роль при этом играет выделение элементов, составляющих данную систему.
2.	Элементы сложной системы. При анализе надежности сложных систем их разбивают на элементы (звенья) с тем, чтобы вначале рассмотреть параметры и характеристики элементов, а затем оценить работоспособность всей системы.
Теоретически любую машину можно условно разделить на сколь угодно большое число элементов, понимая под элементом или узел, или агрегат, или деталь, или часть детали. Поэтому весьма важно дать определение элемента сложной системы. Под элементом будем понимать составную часть сложной системы, которая может характеризоваться самостоятельными входными и выходными параметрами.
Элемент обладает следующими особенностями:
он выделяется в зависимости от поставленной задачи, может быть достаточно сложным и состоять из отдельных деталей и узлов;
при исследовании надежности системы элемент не расчленяется на составные части и показатели безотказности и долговечности относятся к элементу в целом;
возможно восстановление работоспособности элемента независимо от других частей и элементов системы.
Условность расчленения сложной системы на элементы может быть продемонстрирована на примере автоматической станочной линии. При рассмотрении работоспособности линии элементами
177
Элемент 1
Элемент п
Рис. 56. Выходные параметры элементов сложной системы
могут служить отдельные станки, транспортные и загрузочные устройства и другие достаточно сложные объекты. Однако и каждый станок представляет собой весьма сложную систему и при необходимости оценки его надежности он, в свою очередь, может быть разбит на отдельные узлы, узел — на подузлы и детали, а деталь на отдельные части. Например, работоспособность такой детали станка как шпиндель зависит и от жесткости его тела, и от износостойкости шеек и посадочных поверхностей и т. д. При анализе сложных систем их часто разбивают на подсистемы для последовательного рассмотрения надежности всех составных частей системы.
Выходные параметры каждого элемента при их изменении в процессе эксплуатации должны учитывать требования, предъявляемые к надежности всей системы.
Если рассмотреть выходные параметры каждого элемента (их может быть один или несколько), то они могут по-разному влиять на формирование выходного параметра всей системы Х2, определяющего ее надежность. Можно выделить три основных свойства этих параметров (рис. 56).
— изменение параметра влияет на работоспособность лишь самого элемента. Отказ данного элемента ведет, как правило, к отказу изделия.
X 2 — параметр участвует в формировании одного (или нескольких) выходных параметров всего изделия. Его изменения должны учитываться в совокупности с изменением параметров данной категории для других элементов. По отклонению от номинала только данного параметра нельзя судить об отказе элемента.
Х3 — параметр влияет на работоспособность других элементов. Его изменение для остальных частей изделия аналогично изменению внешних условий работы (например, повышение температуры и вибраций, газовыделение и т. п.).
178
Следует отметить, что каждый параметр может обладать одним или несколькими из перечисленных свойств.
В зависимости от того, какие свойства выходных параметров элементов преобладают, будут формироваться и основные черты сложных изделий.
3.	Основные типы структур сложных систем. Если представить себе систему, у которой все элементы имеют параметры только 1-го типа (Хх), т. е. влияющие на работу лишь самого элемента, то надежность такого элемента может быть определена независимо от других частей системы.
В этом случае получим «систему, состоящую из отдельных частей, надежность которых задана» или может быть определена [431. Анализ надежности таких систем, как правило, более прост (см. гл. 4, п. 2), поскольку элементы работают как независимые и для обеспечения надежности системы необходимо и достаточно обеспечить безотказную работу каждого элемента в отдельности. Такие системы более характерны для радиоэлектроники, где отдельные элементы, выполненные в виде транзисторных приборов, диодов, сопротивлений, конденсаторов, сельсинов и т. д., имеют самостоятельные функции (как часто можно условно считать) и должны обеспечивать значения выходных параметров в определенном диапазоне, независимо от параметров других элементов. Заменой отказавшего элемента восстанавливается работоспособность системы.
Однако для машиностроения более характерно наличие таких выходных параметров отдельных элементов, которые участвуют в формировании выходных параметров всего изделия (параметры типа Х2 см. на рис. 56). В этом случае элементы нельзя считать независимыми и для каждого из них определять показатели надежности (например, вероятность безотказной работы). Здесь необходимо рассматривать систему или подсистему в целом и учитывать как участие каждого элемента в формировании выходного параметра системы, так и их взаимное влияние на работоспособность (выходные параметры типа Х3).
Например, надежность работы механической системы, предназначенной для точного перемещения ведомого звена, зависит от износостойкости всех звеньев, передающих движение. Однако износ каждого звена (зубчатых передач, кулачков, ходовых винтов, шарниров ит. п.) не может быть лимитирован независимо от износа других звеньев, так как больший износ одного из них может компенсироваться высокой износостойкостью другого. Для таких систем необходимо одновременно рассмотреть работу всех звеньев и на основании этого оценить надежность системы.
Для сложных систем характерно комбинированное построение структуры, когда надежность отдельных подсистем может рассматриваться независимо.
179
Таким образом, с позиций надежности, могут быть следующие структуры сложных систем:
расчлененные — у которых надежность отдельных элементов может быть заранее определена, так как отказ элемента можно рассматривать как независимое событие;
связанные — у которых отказ элементов является зависимым событием, связанным с изменением выходных параметров всей системы;
комбинированные — состоящие из подсистем со связанной структурой и с независимым формированием показателей надежности для каждой из подсистем.
Отнесение расчлененных структур к радиоэлектронным системам, а связанных к механическим (приведенное выше) является условным и отражает скорее методический подход, применяемый в этих областях, чем существо дела.
Для современных технических систем наиболее характерна комбинированная структура.
4.	О надежности сложных систем. Анализ надежности сложных систем имеет свои специфические особенности. Прежде всего может показаться непомерно трудной задачей оценить надежность такого сложного изделия, которое имеет десятки тысяч деталей, изменение состояния каждой из которых так или иначе влияет на его работоспособность. Однако это не так. Влияние различных отказов и снижение работоспособности элементов изделия по-разному скажутся на надежности всей системы.
При анализе надежности сложного изделия все его элементы и детали целесообразно разделить на следующие группы.
1.	Элементы, отказ которых (нарушение ТУ) практически не влияет на работоспособность изделия (деформация кожуха, изменение окраски поверхности и т. п.). Отказы этих элементов могут рассматриваться изолированно от системы. Часто говорят не об отказах, а о неисправном состоянии таких элементов.
2.	Элементы, работоспособность которых за рассматриваемый промежуток времени практически не изменяется, т. е. Р (I = Т) —> —* 1 (станины и корпусные детали, гидростатические подшипники, малонагруженные элементы с большим запасом прочности).
3.	Элементы, ремонт или регулировка которых возможна при работе изделия или во время остановок, не влияющих на его эффективность (подналадка и замена режущего инструмента на станке, регулировка холостого хода карбюратора автомобильного двигателя).
4.	Элементы, отказ которых приводит к отказам изделия.
Таким образом, рассмотрению подлежат лишь элементы последней группы. Если к этому добавить, что элементы по требованиям к надежности должны быть подразделены на категории (см. табл. 3), то, как правило, имеется ограниченное число элементов, которые в основном и определяют надежность изделия и служат объектом рассмотрения. Эти элементы и подсистемы выявляются 180
при рассмотрении так называемой структурной схемы параметрической надежности (см. гл. 4, п. 3).
Другая особенность работы сложных систем заключается в следующем. Предположим, что надежность всех элементов системы обеспечена, т. е. все их параметры находятся в пределах, установленных ТУ и их безотказность Р (/) —* 1. Означает ли это, что и вся система будет работоспособна? Обычно считают, что да. Однако это верно лишь для расчлененных структур. Как правило, безотказность работы элементов — необходимое, но не достаточное условие для безотказной работы всей системы.
Во-первых, большую роль играют взаимосвязи, когда работоспособные элементы оказывают побочные воздействия на другие элементы и могут вывести их из строя. Например, частица износа малоответственного узла засоряет отверстие прецизионной гидропанели, тепловыделения от передач искажают показания преобразователя и т. п.
Во-вторых, малые изменения параметров каждого из элементов (в пределах нормы) могут дать такое сочетание, которое неблагоприятно отразится на работоспособности изделия. Это возможно из-за сложности функционирования системы и в результате того, что допуски на параметры ее элементов, как правило, назначаются без учета всех возможных взаимодействий и взаимовлияний.
Таким образом, специфика оценки надежности сложных изделий заключается в том, что в сложных системах большую роль играют связи между ее элементами.
Другая особенность оценки надежности сложных систем заключается в трудности, а иногда и невозможности применения к системе в целом статистических методов анализа.
Это связано не только с тем разнообразием условий и состояний, в которых работает система, но и с тем высоким уровнем надежности, которым она должна обладать. Поэтому возникающие отказы относятся каждый раз к новому элементу (если нет явно выраженного слабого звена). Поток отказов позволяет судить лишь об общем уровне надежности системы или ее подсистем, но не о том, какие мероприятия следует применять для повышения надежности изделия (см. гл, 3, п. 3).
Например, если изделие содержит п — 1000 последовательных элементов, а вероятность безотказной работы каждого элемента достаточно высока и составляет = 0,9999, то для системы в целом получим (см. гл. 4, п. 2) Р (t) = Pl = (0,9999)1000 0,912. Если этот показатель не удовлетворяет разработчика, то статистика отказов изделия ничего не даст, так как вероятность отказа каждого элемента одинакова и поток отказов будет содержать различные отказы. Путь решения этой проблемы, во-первых, в анализе не потока отказов, а потока повреждений (см. рис. 73), который проявляется при ремонтных работах, и, во-вторых, в построении и анализе модели надежности сложной системы (см. гл. 4, п. 3).
181
5.	Эффективность системы. В связи с тем, что функционирование сложной системы связано с выполнением разнообразных задач в неодинаковых условиях эксплуатации, бывает трудно определить, является ли возникшее изменение выходных параметров машины отказом. В одних условиях работы эти изменения не повлияют на работоспособность изделия, в других может произойти снижение производительности, точности, скорости и других показателей, характеризующих эффективность работы машины. Машина может, как правило, функционировать и при возникновении параметрических отказов.
Поэтому в ряде случаев говорят не об отказе машины, а о снижении ее эффективности в процессе эксплуатации. В литературе нет единого определения эффективности сложной системы.
Так проф. Н. П. Бусленко под показателем эффективности сложной системы понимает «...такую ее числовую характеристику, которая оценивает степень приспособленности системы к выполнению поставленных перед ней задач» [21]. Показателем эффективности будет некоторый функционал, характеризующий работоспособность системы.
Проф. В. В. Косточкин эффективностью называет совокупность свойств системы, определяющую способность системы выполнять поставленную задачу [92], что зависит не только от качества системы, но и от качеств человека, управляющего ею. Проф. И. А. Ушаков отмечает, что «в широком смысле слова эффективность системы характеризует степень целесообразности ее применения в данных условиях» [205]. Во многих работах подчеркивается, что эффективность действия сложных систем следует рассматривать как экономический результат их применения.
Нам представляется, что с позиций надежности понятие «эффективность изделия» необходимо в первую очередь для анализа способности системы функционировать во всем диапазоне возможных условий и режимов и установления предельных значений изменения выходных параметров сложной системы. Заказчик, эксплуатирующий сложное изделие, должен учитывать требования к ее выходным параметрам исходя из той эффективности, которая удовлетворяет его потребности.
Выход любого из параметров за установленные пределы будет являться параметрическим отказом, а оценка последствий данного отказа определит допустимое значение вероятности безотказной работы.
2. Расчет схемной надежности сложных систем
1.	Расчет надежности систем по надежности элементов. При возможности расчленения сложной системы на отдельные элементы, для каждого из которых можно отдельно определить вероятность безотказной работы, для расчета ее надежности широко используют структурные схемы. В этих схемах каждый i-й элемент характеризуется значением Pt — вероятностью его безотказной работы 182
Рис. 57. Последовательное соединение элементов сложной системы: а — схема соединения; б — законы распределения сроков службы элементов в течение заданного периода времени. Требуется определить вероятность безотказной работы Р (/) всей системы. Такие расчеты обычно называются расчетом схемной надежности.
Наиболее характерен случай, когда отказ одного элемента выводит из строя всю систему, как это имеет место при последовательном соединении элементов (рис. 57, а). Например, большинство приводов машин и механизмы передач подчиняются этому
условию. Так, если в приводе машины выйдет из строя любая шестерня, подшипник, муфта, рычаг управления, электродвигатель, насос смазки и т. п., то весь привод перестанет функционировать. При этом отдельные элементы не обязательно должны быть соединены последовательно.
Вероятность безотказной работы такой системы равна произведению вероятностей безотказной работы элементов:
Р(0 = ЛР2-
Л=ПР,.
1=1
(1)
При одинаковой надежности элементов формула (1) примет вид
(2)
Сложные системы, состоящие из элементов высокой надежности, могут обладать низкой надежностью за счет наличия большого числа элементов. Например, если узел состоит всего из 50 деталей, а вероятность безотказной работы каждой детали за выбранный промежуток времени составляет Pt = 0,99, то вероятность безотказной работы узла будет Р (/) = (0,99)50	0,55.
Если же узел с аналогичной безотказностью элементов состоит из 400 деталей, то Р (/) = (0,99)400 == 0,018, т. е. узел становится практически неработоспособным.
Если причина выхода из строя деталей машины или узла связана только с внезапными отказами, которые подчиняются экспоненциальному закону, то
Р1 в е~Х1/; Р2 =	• • •,
183
Сделав подстановку в формулу (1), получим
Р(/) = fl e-xi/«e’^+",+M/ = e“V.	(3)
«=1
Таким образом, вероятность безотказной работы сложной системы в этом случае также подчиняется экспоненциальному закону с параметром
(4) 1—1
Простота подсчета надежности сложных систем при экспоненциальном законе приводит часто к тому, что этим правилом пользуются и в тех случаях, когда причина выхода из строя — постепенный отказ, что в общем случае недопустимо (см. гл. 3, п. 3).
Обычно, производя расчеты надежности сложных систем, считают, что безотказность каждого элемента известна или задана и оценивается некоторой величиной. При этом часто забывают, что Pi каждого элемента формируется под влиянием процессов старения или внешних воздействий и является функцией времени. Время в расчетах схемной надежности обычно учитывается лишь при использовании экспоненциального закона [см. формулу (3)1. Однако именно в данном случае его нельзя использовать для прогнозирования поведения изделия при других значениях t, как это было показано в гл. 3, п. 3.
Схема формирования значений Р{ показана на рис. 57, б. Для каждого элемента характерна своя кривая распределения сроков службы ft (/), которая может быть получена на основе анализа модели возникновения постепенного отказа. Поэтому при изменении периода t = Тр (ресурса), в течение которого рассматривается работа системы, изменяется и значение Pt для каждого элемента. Так, для изображенного на рис. 57, б случая при изменении t с Тр1 до Тр2 вероятность отказа первого элемента возрастает в 2— 2,5 раза, второй элемент станет практически неработоспособным в виду низкой безотказности, а третий элемент по-прежнему не будет лимитировать Р (t), поскольку его область отказов находится в зоне t > Тр2. Если для оценки надежности этой системы при увеличении ресурса до Гр2 применить экспоненциальный закон, получим совершенно иные выводы о возможностях системы и ее элементов. Поэтому использование формулы (1) должно учитывать зависимость Pt от времени согласно той или иной модели отказа [см. формулу (32) и др., гл. 3].
2.	Резервирование ненадежных элементов. Для повышения надежности сложных систем можно применять резервирование, т. е. создавать дублирующие элементы. При выходе из строя одного из элементов дублер выполняет его функции, и узел не прекращает своей работы. Резервирование может значительно повысить надежность системы.
184
Рис. 58. Схема резервирования элемента:
а «- нагруженный; б — неиагру» Женный дублирующий элемент
Например, при постоянном (нагруженном) резервировании, когда резервные элементы постоянно присоединены к основным
и находятся в одинаковом с ними режиме работы (рис. 58, а), ве-
роятность безотказной работы Р (t) системы может быть подсчитана следующим образом. Пусть F2; ...; Fm — вероятности появления отказа каждого из элементов за время t = Т. Тогда отказ системы — это сложное событие, которое будет иметь место при
условии отказа всех элементов; вероятность совместного появления всех отказов F (/) (по теореме умножения) составит
m
F(t) = F1Fs....-Fm=TlFl. i—l
(5)
Поэтому безотказность системы с параллельно резервированными элементами будет
Р (/) = 1 —/'(7) = 1 — П/•'; = 1 — П (1 —	(6)
1=1	1=1
Например, если вероятность безотказной работы каждого элемента Р = 0,9, a m = 3, то Р (t) = 1 — (0,1)3 = 0,999. Таким образом, вероятность безотказной работы системы резко повышается, и становится возможным создание надежных систем из ненадежных элементов.
Возможно также создание ненагруженного резервирования (резервирования замещением), когда резервные цепи находятся в отключенном состоянии и включаются лишь в том случае, если основная цепь (или элемент) отказывает (рис. 58, б). В этом случае для обнаружения отказа необходим специальный прибор, а для включения резерва — соответствующее устройство.
Таким образом, для нагруженного резерва надежность резервных элементов не зависит от того, в какой момент времени они включились на место основного. Непогруженные резервные элементы не работают до момента их включения вместо основного элемента, т. е. в этот период их отказ невозможен. Существует также облегченный резерв, когда резервные элементы до момента включения находятся в облегченном режиме работы и вероятность их отказа в этот период мала.
Акад. Б. В. Гнеденко, рассматривая облегченный резерв как общий случай резервирования, дает метод для оценки вероятности отказа резервного элемента 143). Достаточно простой метод
185
расчета получается лишь при экспоненциальном законе. Если все элементы (основной и резервные) одинаковы и — интенсивность отказов в облегченном режиме, а К — в рабочем, то при высоких значениях вероятности безотказной работы элементов им получена следующая приближенная формула:
Р (f) ==. 1 X (X 4- Xj) . ♦ . * + О» — 1) ^il
Б. В. Гнеденко решена также задача о расчете надежности дублированного элемента (т. е. при одном резервном элементе) с восстановлением. При отказе основного элемента его замещает резервный, а основной элемент начинает восстанавливаться (ремонтируется или заменяется), после чего становится в резерв. Отказ пары (элемента и дублера) наступит тогда, когда на каком-нибудь цикле во время восстановления одного элемента отказывает другой. Пусть к — интенсивность отказов основного элемента, Хр — резервного и G (/) — закон распределения времени ремонта. При малой вероятности а отказа пары на одном цикле вероятность безотказной работы может быть выражена приближенной формулой
=	(8)
где
= ~ (X + Хр) а ’ во
а = f (1 - JG (0 ~ (трем), О
Л4 (треМ) — математическое ожидание времени ремонта.
Последнее приближенное равенство означает, что асимптотически закон Р (0 зависит не от закона распределения времени восстановления G (Q, а лишь от среднего времени восстановления.
Исследованию различных видов резервирования посвящена обширная литература [9, 43, 186].
3.	Резервирование систем. Рассматривая систему, состоящую из п последовательно соединенных элементов, можно предложить несколько вариантов ее резервирования.
Общее резервирование (рис. 59), означает, что при выходе из строя любого элемента включается резервная цепь, которая полностью заменяет данную. Имеется (т — 1) резервных цепей (всего т цепей).
186
Рис. 59. Схемы общего и раздельного резервирования системы
Если Р{ — вероятность безотказной работы одного элемента, a Pj — всей цепи, то безотказность системы Ро, согласно формулам (6) и (1), будет
т	т / п \
Ро(/)=1—П(1—?/)=!—ПД1-прф	(9)
При одинаковых элементах (Р, = PJ формула (9) примет следующий вид:
Ро(0=1-(1-Р?)"	(10)
Например, при п = 4, т = 3 и Pi = 0,9, Ро ~ 1 — (1 — — 0,94)3 = 0,958.
Раздельное резервирование (рис. 59), обеспечивающее возможность включения резервного элемента при выходе из строя любого элемента, значительно повышает надежность системы.
В этом случае вероятность безотказной работы системы вычисляется по формуле
Р„(0=П|1-П(1-Р()].	(Н)
/=1 [	J
При одинаковых значениях Pt формула (11) примет вид
Рр=[1 __(1__р-)]\	(12)
Используя данные из приведенного выше примера, получим Рр = (1 — 0,13)4 = 0,9994, что соответствует очень высокому уровню безотказности системы.
Следует, однако, отметить, что раздельное резервирование приводит к усложнению всей системы, что снижает эффект от ее применения.
187
Рис. 60. Конструктивные и структурные схемы соединения фильтров при различных видах отказов
На практике часто применяют смешанные системы резервирования с общим резервированием отдельных цепей и раздельным резервированием наиболее ответственных и менее надежных элементов. Сравнение вариантов резервирования с точки зрения безотказности системы проводится аналогичными методами.
В радиоэлектронных системах находят применение более разнообразные методы резервирования, например скользящий резерв, когда дублирующий элемент может заменить любой основной элемент в данной группе, или избирательное резервирование (по «схеме голосования»), когда выходной параметр для параллельных цепей формируется на основании сравнения сигналов на выходе каждой из цепей [28] и др. Однако такие методы не являются характерными для машиностроения.
4.	Метод построения и анализа структурных схем. При расчете схемной надежности данную систему представляют в виде структурной схемы, в которой элементы, отказ которых приводит к отказу всей системы, изображаются последовательно, а резервные элементы или цепи — параллельно. Следует иметь в виду, что конструктивное оформление элементов, их последовательное или параллельное соединение в конструкции еще не означает аналогичного изображения в структурной схеме.
Разница между конструктивной (монтажной) и структурной схемами показана на рис. 60 на примере двух фильтров гидросистемы, которые для повышения надежности работы системы могут быть установлены последовательно или параллельно [92]. Отказ фильтра может произойти в результате двух основных причин — 188
засорения сетки и ее разрыва. В случае засорения сетки структурная схема соответствует конструктивной. Так, последовательное соединение фильтров в этом случае только снизит надежность системы, так как отказ любого из фильтров приведет к отказу системы (необходимый поток жидкости не будет проходить сквозь фильтр).
При отказе фильтра из-за разрыва сетки структурная схема противоположна конструктивной. При параллельном конструктивном выполнении отказ любого фильтра будет означать отказ системы, так как при разрыве сетки поток жидкости пойдет через данный фильтр и не будет происходить ее фильтрации.
Поэтому структурная схема изображена в виде последовательных элементов. При последовательном конструктивном включении фильтров, наоборот, разрыв сетки одного из них не будет означать отказа, поскольку дублирующий фильтр продолжает выполнять свои функции. Поэтому структурная схема изображена в виде параллельного соединения.
При расчете схемной надежности необходимо предварительно иметь данные о надежности каждого элемента. Пусть, например, для простейшей системы из четырех звеньев (это может быть частью более сложной системы) известны значения вероятности безотказной работы каждого звена (рис. 61, а), которые равны = 0,99; Р2 = 0,9; Р3 = Р4 — 0,98. Тогда вероятность безотказной работы этой системы, подсчитанная по формуле (1), будет равна Р (I) = = Р1Р2Р3Р4 = 0,855. Если необходимо повысить надежность системы без изменения качества самих элементов, то это можно сделать за счет дублирования второго элемента, надежность которого значительно ниже остальных элементов (рис. 61, б). В этом случае
6)
Рис. 61. Пример расчета системы из четырех элементов: а и б методом структурных схем; в « методом логических схем
189
вероятность безотказной работы основного и резервного элементов 2 и 2' по формуле (6) будет
Лрез = 1 - (I - Л)2 = Л (2 - Р2) = 1 - (1 - 0,9)2 = 0,99.	(13)
Таким образом, надежность резервного элемента на порядок выше, чем у каждого из пары. Поэтому безотказность работы всей системы возрастет и станет равной
р (0 = л [ 1 - (1 - р2)2] р3р, = дал (2 - р2) =
= 0,99-0,99-0,98-0,98	0,94.	(14)
Для сложных систем обычно просчитывают аналогичным образом различные варианты соединения и резервирования и выбирают оптимальное решение.
Для систем, в которых имеют место более сложные функциональные связи, чем последовательное или параллельное соединения элементов, можно использовать формулу полной вероятности (формула Байеса) для оценки безотказности их работы [91.
При анализе надежности сложных структур находит также применение метод логических схем с использованием алгебры логики (алгебры Буля). Логические схемы, хотя внешне они иногда получаются достаточно громоздкими, применимы к более широкому кругу систем с наличием разнообразных связей и сочетаний элементов системы.
Анализ схемной надежности методом логических схем основывается на формулировании условия безотказности, пользуясь символами и правилами алгебры логики.
Рассмотрим в качестве примера расчет этим методом схемы на рис. 61, б. Событие—безотказность работы данного элемента, обозначим символом А с соответствующим индексом, а противоположное ему событие — отказ будет А.
Сложное событие, заключающееся в выполнении каждого из составляющих его событий, будет их логическим умножением И, а возникновение одного из них — логическим сложением ИЛИ.
В символах алгебры логики сложное событие В — безотказность работы системы на рис. 61, б выразится как
В = А1А2А2А3А4 -J- Л1’, А2А3А4 А1А2А2А3А4.	(15)
Эта запись формулирует три варианта безотказной работы системы, когда работают все элементы, все, но с отказом основного 2, или все, но с отказом резервного 2'. Логическая схема безотказной работы системы показана на рис. 61, в. Заменив события их вероятностями и считая Р2 = Р'ъ, получим уравнение для определения вероятности безотказной работы системы
Р (t) = Р1Р2Р2Р3Р4 Ч- Pl (1 - Р2) Р2Р3Р4 + Р1Р2 (1—^2) Р3Р4 =
= р^рл (р, +1 ~ р2+1 - /у = дал (2 - /у,	(16)
которое аналогично формуле (14).
190
Иногда считают, что метод расчета структурных схем для определения вероятности безотказности систем и выбор оптимального варианта являются чуть ли не основными при оценке надежности изделия. В действительности наибольшая трудность заключается не в методах расчета структурных схем, а в оценке и прогнозировании значений надежности отдельных элементов, в определении изменения выходных параметров в функции времени и других задачах, рассмотренных выше. Кроме того, применимость структурных схем для механических систем и изделий более ограничена, чем для радиоэлектронных систем.
5.	О применимости расчета схемной надежности для машин и механических систем. Выше уже говорилось (см. гл. 4, п. 1), что для механических систем более характерны связанные структуры, где надежность отдельных элементов нельзя считать независимым событием.
Обычно, лишь малоответственные системы, к выходным параметрам которых не предъявляются достаточно жесткие требования и необходимо лишь функционирование отдельных узлов и элементов системы, можно рассматривать в виде расчлененных структур. Чем совершеннее изделия и чем выше требования к его параметрам, тем в большей взаимосвязи находятся все элементы системы. Разбивать сложную систему на независимые элементы и применять методы расчета Р (/), изложенные выше, можно для механических систем и машин в следующих основных случаях:
1)	при рассмотрении больших систем, состоящих из отдельных машин, агрегатов, подсистем, которые могут функционировать самостоятельно (например, технологические комплексы);
2)	при рассмотрении нескольких независимых выходных параметров изделия. Если известна вероятность безотказной работы изделия по отношению к каждому параметру то для оценки параметрической надежности всего изделия можно рассчитывать
Р(0 = ПР(;
1
3)	при анализе надежности систем, состоящих из отдельных агрегатов, особенно в тех случаях, когда их принцип работы и особенность функционирования представляют самостоятельную конструктивную единицу (узлы гидросистем, двигатели и агрегаты самолета, целевые узлы станков — коробка скоростей, механизм загрузки и подачи и др.).
Все перечисленные случаи условны и требуется предварительный анализ для решения вопроса о возможности расчленения изделия на независимые элементы или подсистемы.
В общем случае оценка схемной надежности более пригодна для определения надежности функционирования изделия, а рассмотрение схемы со связанными элементами характерно для определения параметрической надежности.
191
Специфика структур механических систем заключается также в том, что метод резервирования здесь сравнительно редко применяется в чистом виде. Можно привести примеры резервирования для машин, к которым предъявляются высокие требования надежности. Например, для повышения надежности ходовой части грузовых автомобилей применяются двойные задние колеса (нагруженный резерв), запасное колесо (ненагруженный резерв), кроме основного имеется ручной тормоз (ненагруженный резерв). В самолетах применяется резервирование привода в системе управления крылом. В гидросистемах у золотниковых устройств управления (так называемых бустерах) применяются двойные и даже тройные золотники. В технологических автоматизированных комплексах применяется установка дублирующих агрегатов и оборудования или создаются параллельные технологические потоки (одновременное решение задач производительности и надежности).
Однако для механических систем и изделий более характерно для повышения надежности применение принципа избыточности, который является более общим, чем резервирование.
Создание запасов прочности, износостойкости (например, за счет увеличения площади опорных поверхностей), жесткости, виброустойчивости, теплостойкости и т. п. приводит к тому, что повышается запас надежности, поскольку область состояний изделия удаляется от предельных значений параметра.
При создании надежных систем принцип избыточности проявляется в том, что ресурс изделия устанавливается намного ниже среднего срока службы до отказа. Недоиспользование потенциальной долговечности изделия дает гарантию его безотказной работы.
Избыточность — основной метод повышения надежности сложных систем как механических, так и биологических. Резервирование — частный случай избыточности, когда дискретно в несколько раз повышается надежность элемента. Избыточность позволяет непрерывно повышать надежность до необходимого уровня за счет повышения работоспособности отдельных элементов. Для установления этого уровня необходимо рассматривать работу всей системы или подсистемы с учетом взаимодействий и формирования выходных параметров.
Расчет параметрической надежности систем связан как с выявлением функциональных связей, определяющих изменение во времени выходных параметров изделия, так и с прогнозированием поведения сложной системы (вероятностные связи).
3. Расчет параметрической [надежности сложных систем (функциональные связи)
11. Формирование показателей надежности сложной системы. Хотя показатели надежности имеют вероятностную природу, ход процесса изменения начальных характеристик изделия, как было по-192
казано выше, подчиняется определенным функциональным закономерностям. Возникающие при работе изделия процессы могут привести к выходу параметра за допускаемые пределы, т. е. к отказу (см. блок-схему возникновения отказа рис. 10).
В сложных системах процесс изменения начальных параметров характеризуется большим числом взаимосвязей, разнообразными воздействиями на систему и возникновением неодинаковых по природе процессов старения. Все это приводит к формированию основных показателей надежности всего изделия и в первую очередь к показателям степени его удаленности от предельного состояния. В соответствии с представлением о действии энергии на машину при ее эксплуатации (см. гл. 1, п. 3) на рис. 62 показана схема формирования показателей надежности сложной системы. Энергия, действующая на машину при ее эксплуатации W, слагается из воздействий энергии окружающей среды Wlt энергии рабочих процессов машины №2, потенциальной энергии технологических процессов — напряжения в отливке, в сварочном шве, в поверхностном слое обработанной детали и т. п. W3 и энергии воздействий на машину при ее ремонте и техническом обслуживании Проявляясь в виде механической, тепловой, химической, электромагнитной и в других формах, энергия определяет условия работы машины и ее элементов: нагрузки, напряжения, температуры, скорости и ускорения, химические воздействия, давления, электромагнитные силы и др.
Все они являются причиной возникновения в машине процессов износа, коррозии, деформации, ползучести и др., которые приводят к повреждениям отдельных элементов Uf, U 2,	Эти
повреждения вызывают изменения выходных параметров отдельных элементов, узлов и подсистем, что, в свою очередь, приводит к изменению во времени выходных параметров всей системы Xi (/); ...; Хп (/). Опасность выхода этих параметров за установленные пределы и формирует согласно рассмотренным в главе 3 моделям отказов показатели надежности всей системы.
Их формирование представляет собой сложный процесс, раскрытие функциональных связей которого является нелегкой задачей. Это заставляет многих исследователей целиком опираться на стохастические зависимости и изучать поведение сложной системы лишь методами теории вероятностей и математической статистики. Такой подход представляется нам односторонним. Только опираясь на функциональные связи с учетом стохастической природы процессов и явлений можно оценивать происходящие в системе изменения, прогнозировать надежность, моделировать ее поведение в различных условиях эксплуатации.
Для сложных механизмов с большим числом звеньев определение функциональных связей, характеризующих влияние изменений состояния отдельных звеньев на выходные параметры изделия, может с успехом производиться на основе линейной и не-
7 Проников А О.	193
Причина
Рис. 62, Схема формирования показателей надежности сложной системы
линейной теории точности акад. Н. Г. Бруевича. Разработанные им методы расчета позволяют находить ошибки положения и перемещения ведомых звеньев в зависимости от первичных ошибок звеньев механизма и в функции координат ведущих звеньев. Но поскольку первичные ошибки под влиянием процессов старения изменяются во времени, эти методы можно применять и при решении задач надежности [191.
Данная теория рассматривает ошибки выходного параметра (сигнала) ср устройства как функцию параметров и координат его входных параметров (сигналов) q{.
Первичная ошибка отдельных звеньев Aqs зависит как от исходных погрешностей их изготовления (Aqs)o> так и от процессов, изменяющих со временем начальные погрешности со скоростью у, т. е.
A^ = (Aqs)0 + ?/.	(17)
Ошибка выходного параметра Д<р может быть подсчитана, если учесть, что между выходным параметром идеального механизма <р0 и реального механизма сро (без учета его первичных ошибок) имеется разница (фо — ф0), которая характеризует отступления от правильной схемы устройства.
Для этого случая акад. Н. Г. Бруевич получил следующую зависимость:
A<p = (<pi—Фо) + 2(-^-)оД‘?’+/Е(-^-)ь	О»)
1 1
где s — число учитываемых первичных ошибок звеньев.
Индекс 0 указывает, что величины параметров равны номинальным значениям. Для конкретного экземпляра системы значения, входящие в формулы (17) и (18), —детерминированные величины. Если рассматривается совокупность изделий, то это — случайные величины, которые характеризуются законами распределения как функции технологического процесса изготовления изделия.
Значение у как следствие процессов старения и режимов работы изделия всегда является случайной величиной. Поэтому сложная система не может функционировать и тем более изменять свое состояние (работоспособность) по строго детерминированным законам. Нельзя также поставить задачу о раскрытии всех связей системы, что практически и даже принципиально невозможно. Все больше углубляясь в явления, можно бесконечно раскрывать их закономерности. Речь идет о выявлении основных связей и зависимостей, которые с достаточной степенью достоверности описывают происходящие процессы.
Применительно к анализу надежности раскрытие сложных взаимосвязей, показанных на рис. 62, упрощается благодаря 7*	195
Тепловая энергия I
• ....J .
Тепл овые деформации
&2.IUU1 ьо 30 20 Ю
1 2 3 h 5 t,4
механическая энергия
Упругие де формации
Р,дан 80
—г~
Износ
40
20 40 А, МКН
|д, погрешность обработки детали
/м(и)
10
U, мкм
20 
2 t-10^4
I
Рис. 63. Факторы, влияющие на изменение точности автомата ври обточке с помощью револьверного суппорта
следующим обстоятельствам: 1) при анализе выбираются лишь те связи, которые играют основную роль в формировании показателей надежности; 2) выходные параметры являются часто независимыми; 3) не все процессы проявляются в рассматриваемый промежуток времени; 4) последствия отказа изделия по разным причинам не равноценны и 5) имеются лимитирующие параметры, которые являются предметом инженерного анализа изделия при расчете его параметрической надежности.
2.	Пример функциональных связей, определяющих параметрическую надежность изделия» В качестве примера оценки изменения выходного параметра рассмотрим погрешность обработки на револьверном станке-автомате (рис. 63). Обрабатываемая заготовка (пруток) вращается с частотой вращения п, в шпинделе станка /, а инструмент закреплен в шестипозиционной револьверной головке 2 и последовательно подводится к изделию. На рисунке изображена обточка прутка при подаче головки со скоростью s, причем диаметр детали d должен быть обработан с заданной точностью. Выходным параметром является погрешность 196
обработки А, которая должна находиться в пределах допуска. Автомат предназначен для обработки деталей 2-го и 3-го классов точности, что и регламентирует допустимые значения А. Точность обработки, как основной показатель качества функционирования станка, характеризуется рядом выходных параметров — погрешностью обработки в поперечном и продольном сечениях, несоос-ностью обработанных цилиндрических поверхностей и др. Рассмотрим для примера изменение одного выходного параметра — погрешность диаметрального размера при обработке детали с револьверного суппорта. Начальные геометрические и кинематические характеристики станка, которые определяют точность обработки (например, параллельность направления подачи револьверного суппорта и оси шпинделя), изменяются под влиянием энергии, действующей на станок, при его эксплуатации. Следствием механической энергии являются упругие деформации системы и износ направляющих, а тепловая энергия приводит к деформациям корпусных деталей. В результате всех этих процессов происходит изменение взаимного положения заготовки и инструмента, и погрешность обработки возрастает. Влияние этих факторов может быть выражено определенными аналитическими зависимостями, полученными из эксперимента или на основании расчета. Упругие деформации технологической системы зависят от ее жесткости и в данном случае в первую очередь от жесткости стыков [104]. Поскольку погрешности от деформации могут быть компенсированы подналадкой положения резца, на точности обработки отразится лишь та их часть Аь которая зависит от колебания силы резания Р на некоторую величину АР (из-за неоднородности припуска и твердости заготовки, из-за затупления резца и т. д.) и от изменения жесткости А/ револьверного суппорта и шпинделя при различных их положениях:
Р+ ДР Р — &Р / - д/ / + д/ •
(1S)
Погрешности от упругих деформаций проявляются сразу же при начале работы станка и могут быть отнесены к начальным погрешностям. Жесткость станков регламентирована соответствующими стандартами. Недостаточная жесткость системы может вызвать также погрешности, связанные с динамическими явлениями.
Тепловые деформации связаны главным образом с тепловыделением в шпиндельных подшипниках. Исследование тепловых деформаций токарно-револьверного автомата 1Б118 показали [160], что в течение первых четырех часов работы происходит смещение шпинделя на 10—20 мкм (в зависимости от режима работы), причем характер кривой (см. рис. 63) соответствует экспоненциальной зависимости (см. гл. 2). При йепосредственном влия-
197
нии смещения шпинделя на точность обработки соответствующая погрешность Д2 (0 может быть выражена формулой
Д2(/) = л(1-е~М.	(20)
где А — коэффициент, характеризующий интенсивность процесса; Го — постоянная времени.
Параметры А и То могут быть получены экспериментально или на основании приближенных расчетов. При длительной работе станка происходит износ его сопряжений, что также скажется на снижении начальной точности обработки. Так, износ на-направляющих револьверного суппорта приведет к нарушению параллельности оси шпинделя и направления движения револьверной головки и к ее опусканию. Если опускание головки можно компенсировать настройкой резца, то непараллельность приведет к возникновению конусности и к погрешности диаметра Д3 по длине обработки / на величину
(21)
где L — длина изношенной части направляющих; t/max и [/mln — значения износа направляющих станины.
Данная зависимость получена при условии, что эпюра износа линейна и нарушение непараллельности оси шпинделя и направления подачи s непосредственно сказывается на образовании конусности на обрабатываемой поверхности. Поскольку износ является функцией времени U (/), то данная составляющая погрешности также изменяется во времени Д3 (/).
Суммарная погрешность обработки Д зависит от составляющих Дь Д 2 и Д3, однако в общем случае будет иметь место не алгебраическое, а геометрическое их суммирование. Изменение составляющих во времени протекает с различной скоростью. Суммарная погрешность Д =/ (Дх; Д2; Д3) будет также изменяться во времени, что было рассмотрено при анализе моделей отказов (см. гл. 3).
Таким образом, при рассмотрении изменения выходных параметров изделия возможно установление аналитических связей, определяющих их значения как функцию времени. Однако эти связи могут быть достаточно сложными. Так, в рассмотренном примере не учтено влияние таких факторов, как износ фиксаторов револьверной головки и посадочной поверхности ее оси, не определена форма изношенной поверхности направляющих и т. д. Все это должно быть предметом подробного инженерного анализа с целью выявления основных связей [193]. Для этой цели применяются специальные схемы, облегчающие выявление основных факторов, определяющих изменение выходных параметров изделия. 198
Рис. 64. Принцип построения структурной схемы параметрической надежности
3.	Структурная схема параметрической надежности. В сложных системах часто бывает трудно сразу выделить основные функциональные связи, определяющие показатели надежности. Для их выявления рекомендуется строить так называемую структурную схему параметрической надежности [193]. В структурной схеме надежности выделяются, во-первых, основные узлы и элементы системы, определяющие главные выходные параметры, и, во-вторых, три основные категории процессов по скорости их про
текания, влияющие на изменение начальных параметров. Принцип построения такой структурной схемы показан на рис. 64. Процессы различной скорости могут как непосредственно влиять на начальные значения параметров, так и воздействовать на протекание процессов другой категории. Например, износ сопряжений не только повлияет на геометрическую точность машины, но и будет способствовать возрастанию вибраций (быстро протекающие процессы) и повышенному тепловыделению (процессы средней скорости), что также приведет к изменению начальных значений выходных параметров.
Структурную схему параметрической надежности рекомендуется выполнять в два этапа. Первый вариант схемы разрабатывается при начальной оценке функциональных связей, определяющих надежность машины, когда о роли отдельных повреждений
можно делать лишь предварительные и априорные суждения. Окончательная отработка схемы производится после расчетов, а при наличии опытного образца — после исследования этих влияний и выявления основных функциональных связей.
В качестве примера структурной схемы параметрической надежности на рис. 65 приведена упрощенная схема для токарноревольверного автомата 1Б118. Здесь учтены не только перечисленные выше факторы (см. рис. 63), влияющие на один выходной параметр, но и указаны основные узлы и элементы, повреждение которых скажется на показателях точностной надежности. Составление структурной схемы параметрической надежности является начальным этапом при расчете, прогнозировании и испытании сложных систем.
199
(технологической) надежности автомата 1Б118
Рис, 65. Структурная
схема параметрической
4.	Общая схема расчета машины на надежность. Выявление основных функциональных связей, определяющих изменение выходных параметров изделия в сочетании с моделью потери машиной работоспособности (см. гл. 3, п. 4), позволяет построить схему расчета машины на параметрическую надежность (рис. 66). Целью расчета является оценка основных показателей надежности и сравнение их с заданными. Поэтому технические условия на машину должны устанавливать допустимые отклонения выходных параметров X/, ...; Хп, т. е. предельные значения Х1тах для каждого из них и значения показателей надежности для всего изделия. В первую очередь следует установить допускаемую величину вероятности безотказной работы и запас надежности для каждого из параметров и для машины в целом и ресурс, в течение которого целесообразно эксплуатировать машину (см. рис. 53 и 54). При этом необходимо учитывать систему ремонта и технического обслуживания, которая накладывает свои условия не только на объемы ремонтных работ и сроки их выполнения, но и на фактические сроки службы отдельных узлов машины. Исходные сведения для расчета надежности заключены в конструктивно-технологических данных машины и ее элементов, так как считаем, что эскизный или рабочий проект машины в первом варианте выполнен.
При расчете должны быть известны конструкция всех элементов и узлов, применяемые материалы, условия эксплуатации и режимы работы.
Расчет заключается в оценке всех тех факторов, которые участвуют в формировании процесса потери машиной работоспособности и в определении основных показателей надежности, например, по формуле (66) гл. 3.
Для решения этой задачи необходимо в первую очередь оценить на основании законов старения степень или скорость повреждения тех элементов, которые определяют значение выходного параметра. При этом математическое ожидание и дисперсия процесса оцениваются с учетом спектра нагрузок и режимов работы. Одновременно на основании данных о конструкции основных элементов машины и общей компоновки ее узлов определяются начальные параметры изделия — его геометрическая точность, жесткость, влияние быстро протекающих процессов и процессов средней скорости на параметры изделия. Обычно не все эти показатели могут быть получены расчетным путем. Так, например, методы расчета, связанные с виброустойчивостью и с тепловыми деформациями сложных деталей и узлов, еще недостаточно разработаны. В этом случае следует использовать данные аналогов, производить моделирование процессов на макетах или задаваться допустимой их величиной. В последнем случае при окончательной отработке конструкции изделия всегда могут быть приняты меры для доведения данного параметра до требуемого уровня.
201
Рис. 66. Схема расчета машины на параметрическую надежность
Рис. 67. Запас надежности системы с несколькими выходными параметрами
Прием, когда устанавливаются ограничения для скоростей протекания ведущих процессов, снижающих работоспособность изделия, можно широко использовать при оценке надежности сложных систем, трудно поддающихся расчету. Устанавливая допустимые значения для изменения отдельных
5
показателей и для степени
повреждения (износа) элементов можно расчетным путем показать, что при этом будут обеспечены требуемые показатели надежности машины в целом. Используя широкий арсенал кон-
структивных и технологических методов и зная закономерности процессов повреждения, можно добиваться, чтобы скорость процессов старения находилась в установленных пределах.
Изменение выходных параметров происходит в результате развития повреждений во времени и подчиняется той или иной функциональной связи Xt = F (Ui, U2; Uk). Для выявления этих взаимосвязей необходимо построить расчетную схему, которая, например, для процессов износа машины позволяет установить функциональную зависимость между износом отдельных элементов и выходными параметрами узла (см. гл. 7).
Расчет вероятности безотказной работы изделия по данному параметру и других показателей надежности ведется на основе принятой модели отказа.
Если выходные параметры независимы и необходимо оценить Р (/) для всей машины, то используется теорема умножений вероятностей. Если надо учесть также и вероятность внезапных отказов, то оценивается их уровень и характер взаимодействия с постепенными отказами (см. гл. 3, п. 3).
Для высоконадежных систем основной характеристикой, как это было показано выше, является запас надежности по каждому из выходных параметров. При этом ресурс изделия будет определяться не только значением этого запаса но и, главное, скоростью изменения коэффициента надежности Кы (0 во времени. Поскольку для каждого из параметров эти закономерности могут иметь различный характер, запас надежности всей системы может лимитировать в процессе эксплуатации то один, то другой параметр (рис. 67). В этом случае ресурс системы Тр определяется временем достижения любым из параметров значения, при котором запас надежности становится равным единице или установленной допустимой величине Кдоп > 1. Полученные данные корректируются с учетом системы ремонта (это в основном относится
203
к установлению ресурса Тр) и сравниваются с заданными ТУ значениями.
Если полученные результаты не удовлетворяют ТУ, то производится корректировка исходных данных. При этом, поскольку известна структура формирования показателей надежности, можно указать оптимальные варианты — за счет каких элементов и насколько необходимо изменить исходные параметры (материалы, смазку, размеры и конструкцию узла и т. п.).
Для сложных систем указанная схема может являться основой для разработки алгоритма по расчету надежности с применением ЭВМ.
5.	Нормирование показателей надежности. Борьба за создание высоконадежных машин немыслима без нормирования основных показателей надежности, допустимые значения которых должны оговариваться в технических условиях. Прежде чем решать, какими методами следует повысить надежность изделия (а возможностей для этого имеется, как правило, достаточно много и весь вопрос в целесообразности затрат на это), надо знать необходимый уровень надежности.
Выбор показателей надежности для всей машины или изделия либо связан с требованиями заказчика, либо может быть установлен в определенных пределах самими проектировщиками.
При обосновании показателей надежности они, как правило, вступают в противоречие с другими показателями качества изделия.
Например, чем большую производительность трактора при пахоте можно допускать, тем, при прочих равных условиях, быстрее будет его износ и ниже обеспечиваемая долговечность. Чем большую мощность на форсированных режимах будет допускать данный авиационный двигатель (и, следовательно, чем лучше тактические данные самолета), тем меньше его ресурс.
Обычно в зависимости от требований эффективности работы изделия и от требований к его надежности достигается компромисс между этими двумя факторами.
Нормированию подлежат в первую очередь вероятность безотказной работы Р (/) с оценкой ресурса Тр, в течение которого она регламентируется, а для высоконадежных систем, у которых Р (0—* 1, определяется запас надежности Кн.
Как было показано выше, значения Р (/) и Гр взаимосвязаны. Поэтому нормирование для Р (/) должно производиться при заданном Тр. Значение Тр должно быть согласовано со структурой и периодичностью ремонтных работ, и технического обслуживания, а допустимая вероятность безотказной работы является мерой опасности последствий отказа (см. гл. 1, п. 4). В настоящее время в различных отраслях машиностроения разрабатываются классификаторы, которые разбивают все основные узлы и элементы конкретного изделия на категории по допустимой вероятности от-204
Таблица 14
Классы надежности изделий
Класс надежности	0	1	2	3	4	5
Допустимое значение	<0,9	>0,9	>0,99	>0,999	>0,9999	1
каза (или безотказной работы). Чем выше требования к изделию, тем больше допустимое значение Р (/). В общем случае можно предложить градацию изделий по классам надежности, представленную в табл. 14.
В нулевой класс входят малоответственные детали и узлы, отказ которых остается практически без последствий. Для них хорошим показателем надежности может быть средний срок службы, наработка на отказ или параметр потока отказов.
Классы 1—4 характеризуются повышенными требованиями к безотказной (номер класса соответствует числу девяток после запятой). В последний класс (5-й) включаются высоконадежные изделия, отказ которых в заданный период недопустим.
Следует подчеркнуть, что, во-первых, данная вероятность задана для определенного периода эксплуатации Тр и, во-вторых, режимы работы и условия эксплуатации изделия должны быть также строго регламентированы.
Кроме того, для сложного изделия, как правило, нельзя назначить только общее значение допустимой вероятности безотказной работы Р (/) без дифференциации этого показателя на категории по последствиям отказа.
Действительно, пусть, например, имеем два изделия сданными по вероятностям отказа за одинаковый период эксплуатации, приведенными в табл. 15.
Таблица 15
Сравнение безотказности двух изделий
Значение Р (/) для узлов и элементов			Изделие № 1	Изделие № 2
1-я гр.	Отказ приводит к аварии	Pi	0,9999	0,9900
2-я гр.	Отказ приводит к невыполнению задания	Р2	0,9990	0,9900
3-я гр.	Отказ приводит к повышенным расходам при ремонте и замене агрегатов	Рз	0,9300	0,9478
Значение Р (0 = Р^Рз			0,92898	0,92898
205
Из табл. 15 видно, что значение Р (/) одинаково для обоих изделий. Однако второе изделие имеет значительно большую вероятность возникновения отказов, приводящих к недопустимым последствиям. При оценке надежности ответственных изделий надо кроме общего значения Р (/) отдельно подсчитывать вероятность безотказной работы для различных категорий отказов.
Назначение численных величин допустимых Р (/) и соответствующих Тр связано с оценкой как экономических факторов, так и возможных катастрофических последствий отказа системы.
Поскольку повышение надежности изделия требует, как правило, определенных затрат, то в сфере производства машины ее стоимость возрастает, а в сфере эксплуатации уменьшаются расходы, связанные с ремонтом и техническим обслуживанием (см. рис. 1). Поэтому существует некоторый оптимум надежности машины, соответствующий минимальным затратам на ее производство и эксплуатацию.
Однако решить задачу об отыскании данного оптимума на стадии проектирования машины весьма сложно, поскольку для этого необходимо знать зависимость между затратами на повышение надежности всех основных элементов машины и тем эффектом, который они дадут при эксплуатации с учетом системы ремонта, условий эксплуатации, режимов работы машины и других факторов, влияющих на эти связи.
Более просто эту задачу можно решить, если имеется прототип машины, надежность которого и условия эксплуатации известны. В этом случае необходимо обосновать экономическую необходимость повышения надежности для каждого конкретного случая (предложения), т. е. общую задачу отыскания оптимума можно вначале разбить на отдельные этапы, которые выявляются при эксплуатации машины.
Часто при этом действует так называемый принцип Парето: «Наибольшие денежные потери сконцентрированы в очень малом числе мест». Помимо экономического обоснования необходимого уровня надежности следует провести специальные исследования по выявлению тех элементов и систем машины, отказы которых могут иметь тяжелые последствия.
Для машин, работающих с высокими температурами рабочих процессов или химически активными веществами (для машин химической промышленности, транспортных и многих других машин), особенно важно выявить и количественно оценить отказы, которые влияют на безопасность их работы.
Часто безопасность оценивается статистически, например для самолетов по числу несчастных случаев на миллион пассажиро-километров.
При проектировании и эксплуатации машин с высокими требованиями к безопасности функционирования необходимо численно оценить допустимую вероятность отказа анализуемой системы.
206
В этом отношении интересна американская методика, получившая название FMECA (Failure Mode Effectsand Criticality Analysis) [96]. В ней безопасность системы оценивается как вероятностью безотказной работы, так и двумя другими показателями — категорией последствий и уровнем опасности.
Категория последствий оценивает степень серьезности тех последствий, к которым может привести отказ. Так, для летательных аппаратов (например, космических) применяются следующие классы, характеризующие степень последствий.
I класс — отказ не приводит к травмированию персонала.
II	класс — отказ приводит к травмированию персонала.
III	класс — отказ приводит к серьезной травме или смерти.
IV	класс — отказ приводит к серьезным травмам или смерти группы людей.
Второй показатель — уровень опасности Р0П учитывает то время, которое имеет в своем распоряжении персонал для устранения возникшего отказа и предотвращения аварии. Чем меньше это время Ту, тем выше степень опасности, возникающей от данного отказа. Численно уровень опасности может характеризоваться величиной Роп = е~7у. Вид отказа, который приводит к аварии без всякого предупреждения персонала (Ту —> 0), характеризуется высшим уровнем опасности, равным единице.
Противоположным по характеру является отказ, на устранение которого всегда имеется необходимое время (Ту —> оо) и опасности аварии не возникает. В этом случае уровень опасности равен нулю.
Время Ту зависит от времени, затрачиваемого на получение сигнала о наличии данного отказа, и времени для его устранения. Поэтому большое значение имеет наличие приборов, контролирующих параметры машины и сигнальных устройств, а также специальных автоматических устройств, уменьшающих влияние отказа на возможность возникновения аварии и обеспечивающих условия, при которых персонал может устранить отказ. Допустимая вероятность отказа назначается с учетом влияния вышеуказанных факторов и в зависимости от его доли в вероятности отказа всей системы.
Рекомендуется устанавливать по крайней мере четыре класса вероятностей отказа данного элемента [, как доли от полной вероятности отказа системы F,
1-й класс / < 0,01 У7;
2-й класс 0,01F < f < 0,05F;
3-й класс 0,05F	<0, IF; 4-й класс f >O,1F.
Для оценки всей совокупности отказов данного изделия и сравнения их с точки зрения безопасности целесообразно составлять так называемую матрицу критичности (рис. 68).
По ее осям отложены уровень опасности Роп и класс вероятности отказа. В клетки матрицы записывается номер отказа по
207
Рис. 68. Матрица критичности:
/ _ наименьшая опасность; 2 — наибольшая опасность
перечню, который составляется для данною изделия, и класс по последствиям отказа. Так, записанный в качестве примера некоторый отказ № 12 для узла, вероятность отказа которого не должна превышать F = 0,01,
характеризуется вероятностью возникновения отказа / = 0,0005-5-0,001 (3 класс) и уровнем опасности Роп = 0,2-ь 0,4. Данный отказ может привести к травмированию персонала (II класс по степени последствий).
Чем дальше квадрат, в который занесен данный вид отказа от начала координат, тем больше его влияние на безопасность системы. К этим узлам и элементам необходимо в первую очередь применять меры для перевода их в другую категорию, отвечающую большей степени безопасности.
Основная задача, которая должна быть решена при создании новой машины, заключается в том, чтобы обеспечить заданные требования надежности. Для этого в идеале конструктор должен иметь информацию о надежности всех интересующих его узлов и элементов машины. От полноты и достоверности этих данных, полученных на основании различных источников информации о надежности (см. гл. 4, п. 5), зависит успех решаемой задачи.
Эта сложная задача упрощается за счет следующих факторов. Во-первых, если применяются готовые (комплектующие) узлы
и детали, которые, как правило, широко используются в современной сложной машине и имеют нормированные показатели надежности.
Во-вторых, если широко применяются стандартные узлы (подшипники качения, зубчатые передачи и др.), для которых имеются хорошо разработанные и экспериментально проверенные методы расчета на долговечность.
В-третьих, если применяются унифицированные узлы или узлы, •использовавшиеся в прототипах машины, для которых накоплены достаточные статистические данные по надежности.
Для всех оригинальных узлов и деталей, влияющих на надежность машины, конструктор должен иметь по крайней мере ориентировочные данные о скоростях процессов повреждения и •возможных пределах их рассеивания для выбранных условий эксплуатации и режимов работы.
Следует особо подчеркнуть, что конструктор должен строго регламентировать допустимые режимы работы изделия (скорости, нагрузки, температуры и др.), условия его эксплуатации (наличие агрессивных сред, запыленность атмосферы, окружающая тем
208
пература, радиация и т. д.) и ремонта (периодичность и содержание ремонтных работ). Для этого необходимо получить информацию о спектрах нагрузок на изделие, тщательно изучить условия, в которых будет происходить эксплуатация машины, запланировать необходимые ремонтные и профилактические мероприятия. Уже на этапе проектирования машины должна быть составлена реальная картина тех условий, в которых будет происходить ее эксплуатация.
4. Прогнозирование надежности (вероятностные связи)
1. Методы прогнозирования. За последние годы прогнозирование поведения сложных систем развилось в самостоятельную науку, которая использует разнообразные методы и средства.
Прогнозирование отличается от расчета системы тем, что решается вероятностная задача, в которой поведение сложной системы в будущем определяется лишь с той или иной степенью достоверности и оценивается вероятность ее нахождения в определенном состоянии при различных условиях эксплуатации. Применительно к надежности задача прогнозирования сводится в основном к предсказанию вероятности безотказной работы изделия Р (0 в зависимости от возможных режимов работы и условий эксплуатации. Качество прогноза в большой степени зависит от источника информации о надежности отдельных элементов и о процессах потери ими работоспособности (см. гл. 4, п. 5). Для прогнозирования в общем случае применяются разнообразные методы с использованием моделирования, аналитических расчетов, статистической информации, экспертных оценок, метода аналогий, теоретико-информационного и логического анализа и др.
Обычно прогнозирование, связанное с применением математического аппарата (элементы численного анализа и теории случайных функций), называется аналитическим [27]. Специфика прогнозирования надежности заключается в том, что при оценке вероятности безотказной работы Р (0 эту функцию в общем случае нельзя экстраполировать. Если она определена на каком-то участке, то за его пределами ничего о функции Р (/) сказать нельзя [43]. Поэтому основным методом для прогнозирования надежности сложных систем является оценка изменения его выходных параметров во времени при различных входных данных, на основании чего можно сделать вывод о показателях надежности при различных возможных ситуациях и методах эксплуатации данного изделия.
Нами будет рассмотрен тот случай прогнозирования параметрической надежности машины, когда известна структура формирования области работоспособности, но параметры, определяющие эту область, зависят от большого числа факторов и имеют рассеивание.
209

h(T).
HI экстремальная . реализация \ I область
7®
Р/
Рис. 69. Области прогнозирования надежности
| П область
I I HI реализация
2. Схема прогноза параметрической надежности машины. Опираясь на общую схему потери машиной работоспособности (см. рис. 49), можно представить три основных задачи по прогнозированию надежности (рис. 69).
1.	Прогнозируется поведение всей генеральной совокупности данных машин, т. е. учитывается как вариация исходных характеристик машины, так и возможных условий ее эксплуатации (область /).
2.	Прогнозируется поведение конкретного образца машины, т. е. начальные параметры машины становятся неслучайными величинами, а режимы и условия эксплуатации машины могут изменяться в определенном диапазоне. В этом случае область состояний сужается (область //) и становится подмножеством множества /.
3.	Прогнозируется поведение данной машины в определенных условиях эксплуатации при постоянных режимах работы. В этом случае необходимо выявить реализацию случайного процесса ///, которая соответствует заданным условиям работы.
Таким образом, если в первых двух случаях необходимо предсказать возможную область существования выходных параметров и оценить вероятность их нахождения в каждой зоне данной области, то в третьем случае отсутствует неопределенность в условиях работы изделия, и прогноз связан лишь с выявлением тех закономерностей, которые описывают процесс изменения выходного параметра во времени.
Как известно (см. рис. 31), протекание случайного процесса может идти с большей или меньшей степенью «перемешивания» реализаций. Следует отметить, что если прогноз касается сово-210
купности изделий, то степень перемешивания не влияет на оценку области существования параметров, так как выявляется не поведение данного изделия, а вероятность выхода за допустимые границы любого экземпляра из данной совокупности.
Если же прогнозируется поведение данного экземпляра изделия в пределах области, то следует оценить возможную скорость изменения процесса потери работоспособности в ближайший период времени, т. е. использовать корреляционную функцию.
Точность прогнозирования зависит от ряда факторов. Во-первых, от того, насколько принятая схема потери машиной работоспособности отражает объективную действительность. Во-вторых, насколько достоверны сведения о режимах и условиях предполагаемой работы изделия, а также о его начальных параметрах.
Наконец, на правильность прогноза решающее влияние оказывает достоверность информации о закономерностях изменения выходных параметров изделия в процессе эксплуатации, т. е. о случайных функциях Хх (0; ...; Хп (0. Информация о надежности изделия (понимая под этим оценку упомянутых функций Xz- (0 или данные по надежности элементов изделия) может быть получена из разных источников и этот вопрос рассмотрен в гл. 4, п. 5. Прогнозирование может вестись на стадии проектирования (имеются ТУ на изделие, конструктивные данные о машине и ее элементах, известны возможные условия эксплуатации), при наличии опытного образца изделия (можно получить начальные характеристики машины, оценить запас надежности) и при эксплуатации (имеется информация о потере работоспособности изделий при различных условиях эксплуатации). При прогнозировании надежности изделия на стадии проектирования имеется наибольшая неопределенность (энтропия) в оценке возможных состояний изделия. Однако методический подход к решению этой задачи остается общим.
В рассматриваемом случае он заключается в использовании в качестве основы для оценки вероятности безотказной работы изделия соответствующих моделей отказов (см. гл. 3, п. 4) и состоит из следующих этапов.
1.	Определение начальных параметров изделия (а0’> как функции технологического процесса изготовления машины (см. гл. 10). Это связано с изменениями в пределах допуска размеров деталей, свойств материалов, качества сборки и других показателей. Значения начальных параметров могут зависеть также от режимов работы машины.
2.	Установление предельно допустимых значений выходных параметров.
3.	Оценка расчетным путем изменения выходных параметров в течение межналадочного периода То (ав, ан, ос; ас) с учетом аналогичных характеристик у прототипа путем испытания при наличии опытного образца или путем учета установленных стандартом нормативов на параметры машины.
211
4.	Оценка влияния процессов старения (у) на выходные параметры изделия на основании физических закономерностей отказов с учетом их стохастической природы (см. гл. 2).
5.	Оценка спектров режимов работы (нагрузок, скоростей и условий эксплуатации), которые отражают возможные условия эксплуатации и определяют рассеивание скоростей изменения выходных параметров (о>).
6.	Расчет вероятности безотказной работы машины по каждому из параметров в функции времени (см. гл. 3).
7.	При получении информации об эксплуатации изделия, для которого был сделан прогноз, производится сравнение действительных и расчетных данных и анализ причин их расхождения.
В зависимости от поставленной задачи должны быть выявлены области I и II или оценена реализация III (см. рис. 69), т. е. получены законы распределения (Т) или fu (Т), или соответственно Р] (Т) или Рн (Т), отражающие диапазоны рассеивания сроков службы для всей генеральной совокупности или для данной машины (Dn). Если условия эксплуатации для данного образца жестко заданы, прогнозируется срок службы (наработка до отказа) Ти].
3.	Применение метода Монте-Карло для прогнозирования надежности. Рассмотренные в гл. 3 модели отказов являются формализованным описанием процесса потери машиной работоспособности и дают возможность установить функциональные связи между показателями надежности и исходными параметрами.
Статистическая природа этих закономерностей проявляется в том, что аргументы полученных функций являются случайными и зависят от большого числа факторов. Поэтому и нельзя точно предсказать поведение системы, а можно лишь определить вероятность того или иного ее состояния.
Для прогнозирования поведения сложной системы с успехом может применяться метод статистического моделирования (статистических испытаний), который получил название метода Монте-Карло [184].
Основная идея этого метода заключается в многократном расчете параметров по некоторой формализованной схеме, являющейся математическим описанием данного процесса (в нашем случае — процесса потери работоспособности).
При этом для случайных параметров, входящих в формулы, перебираются наиболее вероятные их значения в соответствии с законами распределения.
Таким образом, каждое статистическое «испытание» заключается в выявлении одной из реализаций случайного процесса, так как подставляя, хотя и случайным образом, выбранные, но зафиксированные аргументы, получаем детерминированную зависимость, которая описывает данный процесс при принятых условиях. Многократно повторяя испытания по данной схеме (что практически возможно в сложных случаях лишь с применением 212
ЭВМ), получим большое число реализаций случайного процесса, которое позволит оценить ход этого процесса и его основные параметры.
Рассмотрим упрощенную блок-схему алгоритма для расчета на ЭВМ надежности изделия, потеря работоспособности которого может быть описана схемой на рис. 38 и уравнением
Р (Т) = 0,5 + Ф [ —.	(22)
Пусть изменение выходного параметра X зависит от износа U одного из элементов изделия, т. е. X — F ((/), где F — известная функция, зависящая от конструктивной схемы изделия. Примем, что износ связан с удельным давлением р и скоростью скольжения трущейся пары v степенной зависимостью U = kpm' tfM, где коэффициенты т1 и т2 известны (например, из испытания материалов пары). Коэффициент k оценивает износостойкость материалов и условия работы сопряжения (смазка, засоренность поверхностей).
Данное изделие может попасть в различные условия эксплуатации и работать при разных режимах. Для того чтобы предсказать ход процесса потери изделием работоспособности, надо знать вероятностную характеристику тех условий, в которых будет эксплуатироваться изделие. Такими характеристиками могут быть законы распределения нагрузок f (Р), скоростей f (и) и условий эксплуатации f (k). Заметим, что эти закономерности оценивают те условия, в которых будет находиться изделие и поэтому могут быть получены независимо от его конструкции с использованием статистики по работе аналогичных машин или по требованиям к будущим изделиям. Например, спектры нагрузок и скоростей при различных условиях работы транспортных машин, необходимые режимы резания при обработке данного типажа деталей на металлорежущих станках, нагрузки на узлы горнодобывающих машин при разработке различных пород и т. п. могут быть заранее определены в виде гистограмм или законов распределения.
Алгоритм для оценки надежности методом Монте-Карло (рис. 70) состоит из программы одного случайного испытания, по которой определяется конкретное значение скорости изменения параметра Данное испытание повторяется N раз (где N должно быть достаточно большим для получения достоверных статистических данных, например X > 50), и по результатам этих испытаний оценивается математическое ожидание уср и среднеквадратическое отклонение ах случайного процесса, т. е. данные, необходимые для определения Р (/). Последовательность расчета (статистического испытания) следующая. После ввода необходимых данных (оператор /) производится выбор конкретных для данного испытания значений р, v и k (оператор 2). Для этого имеются подпрограммы, в которые заложены гистограммы
213
или законы распределения, характеризующие данные значения или определяющие их величины. Например, вместо давлений на поверхности трения р может быть задан закон распределения внешних нагрузок Р, действующих на узел. В этом случае в подпрограмме по выбранному значению Р рассчитывается р = F (Р),
Р	о
в простейшем случае р = -у, где S — поверхность трения.
Для выбора конкретного значения каждого из параметров с учетом их законов распределения применяется генератор случайных чисел, при помощи которого разыгрывается (выбирается) данное случайное число. Обычно генератор построен так, что выдает равномерно распределенные числа, которые с помощью стандартных подпрограмм могут быть преобразованы так, что их плотность распределения будет соответствовать данному закону. Например, 214
для нормального закона распределения вырабатываются случайные числа z для математического ожидания М (z) = 0 и среднеквадратического отклонения <зг — 1. В подпрограмме для каждого случая применяется формула разыгрывания, которая учитывает характеристики заложенного распределения. Так, если р распределено по нормальному закону с параметрами рср и <тр, то формула разыгрывания будет р = рср + aPz, где 2 получено с помощью генераторов случайных чисел. Возможно создание подпрограмм для разыгрывания случайных значений параметров при задании их распределения при помощи гистограмм. После получения случайных значений для каждого опыта рассчитывается скорость процесса повреждения у (оператор 3) и по ней скорость процесса изменения параметра ух (оператор 4). Данная процедура повторяется N раз и каждое полученное значение ух засылается во внешнюю память машины. После накопления необходимого количества статистических данных, т. е. при п = М, производится определение уср и сх (операторы 6 и 7), после чего возможен как расчет вероятности безотказной работы Р (Т) (оператор 3), так и построение гистограммы распределения ух (или наработок до отказа Ti) и выдача на печать всех необходимых данных.
4.	Возможности метода статистического моделирования. Рассмотренный случай является простейшим, но иллюстрирует общий методический подход к решению данной задачи.
В более сложном случае, например при использовании модели отказа с учетом рассеивания начальных параметров (рис. 40), в программу закладываются сведения о законах распределения исходных характеристик машины. Например, погрешности изготовления деталей обычно распределяются в пределах допуска А по нормальному закону (о =	, а такие положительные вели-
чины, как погрешность эксцентриситета вала — по закону Максвелла и т. п.
Рассмотренный на рис. 70 пример характерен также тем, что скорость процесса здесь постоянна ух = const, и каждая реализация случайной функции характеризуется одним конкретным значением ух. Поэтому моделирование случайной функции здесь сведено к моделированию случайной величины.
Если рассматривать нелинейную задачу, когда скорость процесса изменяется во времени у (Z), то каждое испытание даст реализацию случайной функции. Для дальнейших действий каждую реализацию можно представить в виде чисел в данных сечениях /2; ...; охватывающих исследуемый диапазон работоспособности изделия.
Часто случайную функцию удобно представить в виде ее канонического разложения (см. гл. 2, п. 5). В этом случае случайными будут коэффициенты при неслучайных функциях 1211. Выработка реализаций случайной функции на ЭВЦМ упрощается в случае ее стационарности.
215
Еще более сложные случаи могут иметь место, если существует связь между смежными значениями случайных параметров. Тогда необходимо учитывать коэффициент корреляции между смежными членами или даже несколькими соседними членами (множественная корреляционная связь). Такой случай также может быть решен методом Монте-Карло, но требуется моделиро- • вание корреляционной функции.
Следует также отметить, что данный метод применим и для закономерностей, характеризующих процесс в виде неявных функций, а также при описании процесса не обязательно в виде математических формул. Прогнозирование надежности методом Монте-Карло позволяет вскрыть статистическую природу процесса потери изделием работоспособности и оценить удельный вес влияния отдельных факторов. Например, для рассмотренной задачи можно сделать расчет, насколько повысится вероятность безотказной работы, если проведен ряд мероприятий по уменьшению давлений в зоне трения (изменена конструкция узла), уменьшено значение коэффициента k (применен новый материал), сужен диапазон режимов работы машины [изменены параметры законов f (Р) и f (г)].
Специфика применения метода статистического моделирования для расчета надежности заключается в том, что если обычно при статистическом моделировании сложных систем искомыми величинами являются средние значения характеристик, то здесь нас интересует область крайних реализаций (значений близких к Ymax), так как именно они определяют значения Р (Т) (см. гл. 11, п. 5).
Поэтому для оценки надежности ответственных изделий важное значение приобретает исследование аварийных и экстремальных ситуаций, когда выявляются реализации процесса с наибольшей скоростью изменения выходных параметров ух тах.
5.	Оценка экстремальных ситуаций. При прогнозировании надежности особое значение приобретает выявление крайней границы области состояний изделия, так как именно она определяет его близость к отказу. Эта граница формируется за счет реализаций, которые имеют наибольшие значения скорости процесса ух. Хотя вероятность их появления мала (она соответствует вероятности отказа), их роль в оценке надежности изделия является основной. Такие реализации будем называть экстремальными. Они могут быть двух типов: собственно экстремальные, как следствие наиболее неблагоприятного сочетания внешних факторов, но находящихся в допустимых пределах, и аварийные, которые связаны с нарушением условий эксплуатации или проявлением нарушений ТУ при изготовлении изделия.
Экстремальная реализация (IV на рис. 69) может быть выявлена как результат наиболее неблагоприятного сочетания факто* ров, влияющих на скорость изменения параметров ух. Часто это-216
предельные режимы, при которых существенно возрастают динамические нагрузки [5]. Если для простых систем формулирование экстремальных условий, как правило, не вызывает трудностей (это наибольшие нагрузки, скорости, температуры), то для сложных систем необходимо провести исследования по выявлению такого сочетания параметров, которое приведет к уЛпих. Действительно, например, повышение скорости механизма для одних элементов может привести к повышению их работоспособности (переход к жидкостному трению в подшипнике скольжения, лучшая циркуляция охлаждающей жидкости, выход механизма из резонансной зоны и т. п.), а для других — к ухудшению условий их работы (рост динамических нагрузок, повышение тепловыделения и т. п.). Поэтому суммарное воздействие на механизм будет наибольшим лишь при определенных режимах его работы. Если требуется выявить наихудшее начальное состояние изделия, то также необходимо решить задачу о наиболее неблагоприятном распределении допусков (ТУ) на элементы и оценить вероятность этой ситуации (например, нахождение для всех деталей размеров на границах полей допусков маловероятно).
Кроме того, при оценке надежности изделия с учетом всех его основных параметров Хъ Х2, ..., Хп режимы по-разному отразятся на их изменении, что исключает возможность предопределения заранее наихудшего их сочетания. Все это свидетельствует о том, что выявление экстремальных ситуаций также является задачей статистического исследования, которое может быть проведено с применением метода Монте-Карло. Однако разыгрывание должно вестись в области, соответствующей малой вероятности отказа, но при допустимых значениях входных параметров (значений случайных аргументов).
Аварийные ситуации связаны с двумя основными причинами. Во-первых, это возрастание внешних нагрузок и воздействий за пределами установленными ТУ при попадании машины в недопустимые условия эксплуатации. Для отдельных узлов и элементов машины такое положение может возникнуть из-за повреждения соседних малоответственных деталей, что повлияет на работу данного узла. Например, повышенный износ неответственного соединения не влияет сам по себе на работоспособность этой пары, но продукты износа засоряют смазку и выводят из строя другие сопряжения. Повышенное тепловыделение может привести к недопустимым деформациям соседних элементов.
Во-вторых, возникновение аварийных ситуаций связано с нарушением ТУ на изготовление и сборку изделий. Производственные дефекты могут проявиться неожиданно и привести к отказу изделия.
Если вероятность появления экстремальных ситуаций можно оценить, то возникновение аварийного состояния предсказать трудно, а в большинстве случаев практически невозможно. Обычно
217
удается составить перечень типичных аварийных ситуаций, доказать, что вероятность их возникновения чрезвычайно мала (если это не так, надо изменять конструкцию) и, главное, оценить возможные последствия каждой ситуации. Оценка характера последствий и времени, необходимого для ликвидации возникшей ситуации (см. рис. 68), определяет степень опасности данной аварийной ситуации.
Таким образом, прогноз области возможных состояний изделия и его показателей надежности для высокоответственных объектов дополняется анализом аварийных и экстремальных ситуаций с оценкой их последствий.
В заключение следует отметить, что разработка методов прогнозирования надежности машин даст огромный экономический эффект, так как, во-первых, сократятся затраты времени и средств на испытание опытных образцов, во-вторых, будет иметь место более рациональное использование потенциальной долговечности изделия за счет правильного построения системы ремонта и эксплуатации, в-третьих, еще на стадии проектирования будет возможен выбор оптимального с точки зрения надежности конструктивного решения.
5. Источники информации о надежности машин
1.	Три основных источника информации. Для расчета и прогнозирования надежности необходимо иметь источники информации об изменении показателей работоспособности машины. Эта информация должна относиться либо к конечным результатам протекающих процессов старения, т. е. к отказам машины и ее элементов, либо к оценке процессов повреждения. Последняя является более ценной, так как позволяет осуществлять прогноз поведения изделия в то время, как сведения об отказах дают лишь констатацию того или иного уровня надежности.
Прежде чем говорить о содержании информации и достоверности тех сведений, которые должны быть использованы для оценки надежности, рассмотрим источники получения необходимой информации. Основная трудность определения показателей надежности заключается в том, что они оценивают работу машины за длительный промежуток времени, в то время, как эти показатели должны быть заложены и во вновь проектируемой машине.
Именно это обстоятельство является «камнем преткновения» для всех исследований в области надежности и заставляет искать пути и методы для прогнозирования поведения изделия, не дожидаясь окончания длительного периода его эксплуатации.
Рассмотрим схему возможных источников информации о надежности машины, начиная с этапа ее проектирования и до окончания эксплуатации (рис. 71). При проектировании машины и на основании данных готового проекта информацию о надежности изделия можно получить лишь расчетным путем, включая прогно-218
Рис. 71. Схема получения информации о надежности машины
зирование. Именно качество и достоверность расчетов позволит уже на стадии проектирования заложить в конструкцию необходимый уровень надежности машины.
Когда создан опытный образец машины, становится возможным его испытание на стенде или в эксплуатационных условиях.
Для оценки надежности эти испытания, как правило, должны быть ускоренными, так как их результаты необходимо использовать для внесения соответствующих исправлений в проект серийной машины. То же можно сказать и об испытании серийного образца машины перед ее запуском в производство.
Далее, после некоторого периода эксплуатации серийных машин, начинает поступать информация о возникающих отказах, которые являются, как правило, следствием недостатков конструкции, допущенных из-за различия между реальными условиями эксплуатации и условиями ускоренных испытаний и из-за несовершенства методов расчета.
Когда машина проходит запланированные виды ремонта, то содержание ремонтных работ — степень повреждения отдельных узлов, трудоемкость их ремонта, мероприятия, связанные с контролем и восстановлением выходных параметров машины и др., является тем источником информации, который позволяет судить о надежности машины и ее элементов.
Статистические данные о сроках службы элементов и узлов машины в процессе ее эксплуатации и ремонта позволяют судить о показателях надежности для машин данной модели с учетом различных режимов работы и условий ее эксплуатации и могут быть использованы при проектировании новых машин.
219
Таким образом, на практике обычно используются три основных источника информации для суждения о возможной потере работоспособности в процессе эксплуатации машины:
статистическая обработка данных по эксплуатации и ремонту машин;
испытания на надежность, в том числе ускоренные; аналитические расчеты и прогнозирование надежности.
Статистические данные о потере машиной работоспособности при правильной методике сбора и обработки информации дают достоверные сведения о надежности и долговечности машин данного типа с учетом реальных условий эксплуатации (см. гл. 12, п. 1).
Однако накопление достаточного объема информации проис-ходит обычно тогда, когда данная модель машины уже устаревает и не выпускается заводом-изготовителем. Поэтому эти сведения лишь в весьма ограниченном объеме могут быть использованы для прогнозирования поведения новых машин.
Результаты эксплуатационных исследований нужны в основном для внесения исправлений в слабые места конструкции, но не для суждения о надежности выпускаемых машин.
Ускоренные испытания на безотказность и долговечность дают информацию о новых машинах и позволяют сделать определенные суждения о показателях их надежности уже на стадии создания опытных образцов. Однако всякое форсирование процесса потери работоспособности, как правило, искажает реальную картину. Хотя имеется немало методик, позволяющих делать пересчеты с форсированного режима работы машины на обычный, ускоренные испытания дают лишь приблизительную, часто весьма условную картину тех процессов, которые будут протекать в машине при нормальных условиях эксплуатации (см. гл. 11, п. 4).
Чем сложнее машина или испытываемый узел, тем труднее сделать пересчет на нормальный процесс ее работы, так как для разных элементов машины форсирование испытаний оказывает неодинаковое влияние на их работоспособность. Обычно, чем меньше степень форсирования испытаний, тем достовернее результаты, т. е. сводится на нет сама идея ускорения получения информации о надежности. Кроме того, эти возможности появляются лишь при создании опытного образца машины, а прогнозировать поведение машины и получить основные показатели надежности желательно уже на стадии ее проектирования.
Аналитические расчеты (включая статистическое прогнозирование) являются тем источником информации о будущем поведении машины, который по своим возможностям лишен недостатков предыдущих. Только расчетным путем можно судить о надежности будущей машины на стадии ее проектирования, до минимума свести время, необходимое для определения показателей надежности и долговечности изделий и выявить основные взаимосвязи 220
между показателями надежности и параметрами, характеризующими конструкцию, технологию и методы эксплуатации машины.
Как было видно из рассмотренных выше схем, для расчета и прогнозирования показателей надежности необходимо иметь аналитические закономерности процессов старения (см. гл. 2). Законы, полученные на основе рассмотрения физических процессов старения, обладают большей универсальностью. Однако и те закономерности, которые получены эмпирическим путем для более узкого диапазона условий, но представленные в виде аналитических зависимостей, связывающих степень повреждения с параметрами процесса и временем, несут информацию, достаточную для их использования при расчете и прогнозировании надежности изделия.
2.	Статистическая информация из сферы эксплуатации. Если эксплуатационные испытания или наблюдения позволили получить закон распределения времени безотказной работы данного изделия, то определение параметров безотказности не представляет трудностей.
Для этого на основе полученной информации об отказах изделия за период его эксплуатации строится гистограмма (рис. 72, а), показывающая число возникших отказов в данном интервале времени для большого числа однотипных изделий, работающих в оговоренных условиях. По полученной гистограмме, которая является экспериментальной оценкой плотности вероятности, может быть подобран теоретический закон распределения.
Для проверки соответствия экспериментальных данных высказанной гипотезе о теоретическом распределении в математической статистике разработаны специальные критерии согласия (критерий хи-квадрат Пирсона, критерий Колмогорова и др.), позволяющие ответить на этот вопрос [183].
Кроме того, в зависимости от объема экспериментальных данных (объема имеющейся информации) можно оценить точность прогноза. Однако такая схема не является типичной для большинства изделий машиностроения, как это обычно полагают. Она пригодна обычно для ограниченного числа малоответственных элементов машины, для которых допускается работа до их отказа, т. е. полностью используется их работоспособность. Конечно, полная информация может быть получена при стендовых испытаниях отдельных узлов машины, если их число достаточно для построения гистограммы. Однако такие возможности встречаются в машиностроении достаточно редко и могут иметь место лишь при испытании стандартных и унифицированных узлов (например, подшипников качения).
Типичный случай получения информации об отказах машины в процессе ее эксплуатации показан на рис. 72, б.
Если рассматриваются отказы определенного типа для генеральной совокупности из JV работающих изделий, то все сроки
221
Рис. 72. Получение статистической информации об отказах изделий
службы можно представить в виде вариационного ряда (сроки службы располагаются в порядке возрастания) Тf, Т2; ...; TN.
Однако через некоторый промежуток времени t = Тр назначается ремонт изделия и поэтому для изделий со сроком службы TL > Гр их значение неизвестно. Таким образом, для п изделий из данной генеральной совокупности, которые отказали раньше, чем наступил их ремонт, известны сроки службы Тf, Т2; ...; Тп и для них можно построить гистограмму (рис. 72, б). Для остальных (N — п) изделий известно лишь, что их сроки службы больше данного значения Тр.
Часто для оценки надежности по полноценной информации подбирают теоретический закон, который описывает распределение сроков службы в пределах 0 < t < Тр, а параметры закона учитывают и наличие изделий с более высокой долговечностью.
Например, когда статистические данные аппроксимируются экспоненциальным законом распределения
t
222
средний срок службы Тср подсчитывается по формуле [9]
7’ep=4-^r< + JyVi7’p-	<23>
Второй член учитывает наличие изделий в количестве (N — п), о сроке службы которых известно лишь, что Tt > Тр.
Зная закон распределения, можно рассчитать вероятность безотказной работы для любого периода времени.
Однако расчеты, построенные по такой схеме, как правило, дают ошибочные данные при попытках прогнозировать поведение изделия за пределами периода времени 0 с t < Тр.
Дело заключается в том, что информация об отказах изделий относится обычно к незначительной части (2—5%) от полного распределения времени безотказной работы изделия. Этой информации недостаточно для суждения о действительном законе распределения f (Т). Например, при эксплуатации изделия с более длительным периодом до ремонта сроки службы могут подчиняться и экспоненциальному (кривая 1 на рис. 72, б) и нормальному (кривая 2) законам распределения. Поэтому суждение о законе распределения Т по части п N вышедших из строя изделий (которые не являются репрезентативной выборкой из генеральной совокупности) неправомочно и такие его параметры, которые определяют средний срок службы или значение Р (t) за пределами t Тр, не отражают объективной действительности.
Полученный закон распределения можно использовать лишь для оценки безотказности изделия за рассматриваемый период времени. Поэтому статистические источники информации о надежности изделий, полученные из сферы эксплуатации, не обладают, как правило, необходимым объемом для их использования при прогнозировании надежности.
3.	Статистическая информация из сферы ремонта^ Более полная информация о действительном законе распределения сроков службы отдельных элементов может быть получена из сферы ремонта машины.
Для этого необходимо, чтобы при производстве ремонтных работ была бы получена информация (см. рис. 71), оценивающая степень повреждения (износа), и по ней потенциальные сроки службы (наработку) отдельных изделий или их элементов (рис. 72, в). Как было показано выше (см. гл. 2), различные процессы старения приводят к постепенной потере изделием и его элементами работоспособности.
Лишь на определенной стадии развития данное повреждение приводит к отказу. Обычно ремонт изделия производится тогда, когда отказ еще не наступил, но имеется определенная степень повреждения (износа), по которой можно судить о возможном времени наступления отказа. Поэтому схема получения более
223
Рис. 73. Источники статистической информации при эксплуатации и ремонте И2 изделия
полной информации о безотказности ремонтируемого изделия выглядит следующим образом (рис. 73).
Здесь небольшая часть информации — это данные о сроках службы изделий, отказавших за период 0 < t < Тр, основная часть информации Я2 — это показатели степени повреждения (износа) Ui изделий, не достигших предельного состояния к моменту t = Тр.
Вариационный ряд Uf, U2; UN_n дает возможность оценить распределение этих величин/ (U) с достаточно большой точностью И по нему сделать суждение о сопряженном (т. е. связанном определенной функциональной зависимостью) распределении времени безотказной работы/ (Т). В этом случае параметры данного распределения позволят осуществить прогнозирование надежности изделия, т. е. судить об изменении вероятности безотказной работы за период времени t > Тр и оценить правильность выбора данного значения Тр (см. гл. 3, п. 2).
Из сказанного можно сделать выводы о том, что, во-первых, не всякая статистическая информация о надежности изделия достаточна для осуществления прогнозов его работоспособности. Наиболее полная информация может быть получена при использовании сведений о состоянии изделий к моменту их ремонта. Во-вторых, назначенные периоды ремонта (в соответствии с принятой для данного изделия системой ремонта и технического обслуживания) оказывают существенное влияние на показатели безотказности. В-третьих, для построения модели отказа можно на основании данных о степени повреждения (износа) изделий 224
сделать вывод о характере протекания данного процесса во времени, т. е. оценить функцию U (I).
Однако основная информация о функции U (0 может быть получена на основании исследования физической сущности отказов и представлена в виде аналитических или экспериментальных зависимостей (см. гл. 2).
Если все исходные данные, необходимые для определения закона f (Т) выражены аналитически, т. е. имеются закономерности для U (/) с учетом случайного характера данной функции и рассчитано значение (/тах, то для оценки потери машиной работоспособности можно применить аналитические методы расчета и прогнозирования, рассмотренные в гл. 4, п. 3 и 4.
4.	Оценка информации о надежности при наличии различных источников. При построении модели прогноза необходимые данные о закономерностях процессов повреждения или об изменении во времени выходных параметров изделия могут быть получены из различных источников информации. Например, аналитические зависимости для скорости процесса у можно получить на основании исследования физики процесса, из кратковременных натурных испытаний и из сферы ремонта и эксплуатации. При этом данные о математическом ожидании и дисперсии процесса, полученные из разных источников, как правило, не совпадают. Спрашивается, какое значение у следует принять при расчете и прогнозировании надежности, используя все имеющиеся источники информации о данном процессе? Этот сложный вопрос, который может быть предметом специального статистического исследования, в первом приближении можно решить на основе теории неравноточных наблюдений, рассмотренной в работе [1831. Неравноточными наблюдениями одного и того же объекта уг\ у2, ...; уп называются такие, каждое из которых имеет свою точность, т. е. характеризуется различными дисперсиями.
В этом случае для оценки центра рассеивания уср исполь-
зуют весовые коэффициенты g, т. е.
Уч = -Г— (Ol + Ог 4-----------F gnVnY	(24)
1
Доказывается, что весовые коэффициенты должны быть обратно пропорциональны дисперсиям отдельных наблюдений
:g2:.. • ‘gn — -р-: —• • • • • —у •	(25)
а1 а2	ап
Из этого равенства следует, что произведения geo} постоянны для всех наблюдений
«Igi =	= • • • = <£gn-	(26)
8 Проников А. с.	225
(27)
Дисперсия параметра у при учете всех наблюдений может быть подсчитана по формуле
2 ° у “ ~
2 &
1
При нормальном распределении и малых выборках в качестве характеристики рассеивания можно использовать размах выборки
Z/tnax i/min*	(28)
Можно показать,	что	размах	выборки	(его	математическое
ожидание) пропорционален среднему квадратическому отклонению Af (&у) = аа'у,	(29)
где а — коэффициент, зависящий от объема выборки.
Используя эти	положения,	можно	оценивать	информацию
о надежности изделия и в первую очередь о процессах повреждения при наличии нескольких источников.
Поясним этот метод примером. Пусть для одного из процессов потерн изделием работоспособности получены из разных источников следующие значения для скоростей у (мкм/тыс. ч), считая, что у = const:
на основании статистических данных по эксплуатации и ремонту изделия yi = 2,72	0,27;
на основании расчета с использованием физических закономерностей износа у 2 = 2,30	0,35;
на основании ускоренных испытаний у3 = 3,15 =ь 0,42.
Здесь со знаком указаны предельные значения размаха для скорости процесса при единой доверительной вероятности. Необходимо получить значение скорости процесса у на основании обобщения информации по всем трем источникам.
Учитывая равенство (29), можно применить соотношения (25) и (27) для размаха Д вместо среднего квадратического отклонения о. Для оценки весовых коэффициентов из (25) получим
Вк'ёг'Вз = (о,27)2	(0,35)2 : (0,42)2 “ 13,7:8,2:5,6.
Примем эти значения за весовые коэффициенты (их можно умножить на любой постоянный коэффициент), т. е. gt = 13,7;
g2 = 8,2; g3® 5,6 и 2 gi = 27,5.
По формуле (24) определим среднее значение у:
13,7-2.724-8,2-2,30 + 5,6-3,17	о со
Уср —	27.5	~ 2,00.
27,5
226
Размах скорости процесса по формуле (27) будет
Здесь для всех случаев = 1 (например, (0,27)2-13,7 = 1).
Таким образом, окончательно для скорости процесса получим
<у = 2,68 ± 0,19 мкм/103 ч,	(30)
Использование информации по всем трем источникам сузило размах значений у, т. е. получили более точное суждение об истинном значении скорости процесса.
Следует отметить, что в данном случае колебание у связано не с физикой процесса (считаем, что все условия известны и постоянны), а с недостаточностью или с неточностью получаемой информации. Оценив величину у и возможные пределы ее изменения, можно использовать эти данные для прогнозирования надежности изделия методами, рассмотренными выше.
5. Информация, необходимая для оценки долговечности изделий, При анализе надежности машины необходимо также получить данные для оценки коэффициента технического использования или коэффициента долговечности. Их можно получить на основании сведений о простоях машины в ремонте за длительный период ее эксплуатации и с учетом суммарного времени ее работы за этот же период.
Значение Кти (или Кд), подсчитанное непосредственно по формуле (6) гл. 1, позволит оценить фактическую величину этого показателя. Поэтому весьма важно организовать систему информации о ремонтных потерях для машин данного типа в течение всего периода их эксплуатации.
Однако эти данные могут быть получены лишь после достаточно длительного периода эксплуатации, что, как было сказано выше, значительно снижает ценность полученных сведений.
Кроме того, знание суммарного показателя Кд без анализа его структуры затрудняет выявление основных причин, снижающих его значение.
Для быстрейшего получения информации о долговечности всей машины и возможности анализировать значения показателей и г необходимо воспользоваться формулами (7) и (8) (см. гл. 1), т. е. иметь данные о сроках службы и трудоемкостях ремонта отдельных узлов и деталей машины.
Информация о сроках службы может быть получена либо аналитически с использованием закономерностей физики отказов (гл. 2), либо по фактическим замерам износа за межремонтный период (см. рис. 73), который значительно меньше всего периода эксплуатации машины. Полученные сроки службы должны быть скорректированы с учетом системы ремонта (см. гл. 12,
8*	227
п. 2). Что же касается данных по трудоемкости ремонта отдельных узлов и элементов машины т, то они могут быть получены из технологических нормативов по ремонту машин данного типа. Обычно время, затрачиваемое на ремонт или замену отдельных изделий и их узлов (включая сборку, проверку и другие работы), имеет небольшую дисперсию и основное влияние на изменение z оказывает рассеивание сроков службы.
Следует подчеркнуть, что при расчетах значений показателей надежности потребуется применение методов математической статистики для оценки достаточности и достоверности исходной информации, точности и надежности прогнозирования показателей и решения ряда других аналогичных задач.
Из рассмотрения различных моделей отказов (см. гл. 3) следует, что они базируются на информации о скоростях процессов старения, которые зависят от материалов, условий эксплуатации и конструктивно-технологических факторов. Основной причиной потери работоспособности большинства машин является износ их сопряжений. Изучению этого основного процесса старения посвящен следующий раздел книги.
ЧАСТЬ П
ИЗНОС МАШИН
Так и кольцо изнутри, что долгое время на пальце
Носится, из году в год становится тоньше и тоньше;
Капля за каплей долбит, упадая, скалу; искривленный
Плуга железный сошник незаметно стирается в почве;
И мостовую дорог, мощеную камнями, вадам Стертой ногами толпы; и правые руки у статуй
Бронзовых возле ворот городских постепенно худеют
От припадания к ним проходящего мимо народа.
Нам очевидно, что вещь от стиранья становится меньше,
Но отделение тел, из нее каждый миг уходящих,
Нашим глазам усмотреть запретила природа ревниво.
Тит Лукреций Кар
<0 природе вещей»
ГЛАВА 5 I ИЗНОС МАТЕРИАЛОВ
1. Природа и классификация процессов изнашивания
1.	Износ как результат взаимодействия твердых тел при трении. Износ, возникающий при трении сопряженных поверхностей, является наиболее характерным видом повреждения большинства машин и их механизмов.
Изнашивание — это процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) его остаточной деформации (ГОСТ 16429—70). Изнашивание может сопровождаться процессами коррозии и является сложным физико-химическим процессом. Его изучению посвящена обширная как отечественная, так и зарубежная литература.
Широко известны работы советских и зарубежных ученых А. К. Зайцева, Д. В. Кузнецова, И. В. Крагельского, Б. И. Ко-стецкого, М. М. Хрущова, Д. Н. Гаркунова, Ф. Боудена и Д. Тейбора (Англия), Г. Флайшера (ГДР), Мак-Грегора, Э. Рабиновича (США), Г. Данова (Болгария) и др. Эти исследования посвящены раскрытию механизма износа материалов и тех закономерностей, которые определяют его протекание.
При контакте двух сопряженных поверхностей и их относительном перемещении в поверхностных слоях возникают механи-229
Рис. 74. Схема трансформации технологического рельефа поверхности в эксплуатационный
чсские и молекулярные взаимодействия, которые в конечном итоге и приводят к разрушению микрообъемов поверхностей, т. е. к их износу. Согласно современным представлениям, опирающимся на достижения в области физики твердого тела, теории вязкого и хрупкого разрушения металлов, представлений физико-химической механики, теории поверхностных явлений и специальных исследований в области износа можно оценить основные факторы, определяющие характер и интенсивность протекания процесса изнашивания.
Исходным положением является представление о дискретном касании шероховатых тел и, как следствие этого, возникновение отдельных фрикционных связей, определяющих процесс изнашивания. Эти положения, развитые проф. И. В. Крагельским, позволяют связать износ поверхности с процессами, происходящими в деформированном микрообъеме материала, напряженное состояние которого зависит от нагрузки, вида трения, геометрического очертания микронеровностей и физических свойств материала [93]. Дискретный характер касания и наличие большого числа пятен контакта и соответственно фрикционных связей является следствием того, что реальные поверхности имеют сложный рельеф, характеризующийся шероховатостью и волнистостью (см. гл. 2, п. 2).
В процессе изнашивания исходный (технологический) микрорельеф преобразуется в эксплуатационный (рис. 74).
При этом, как показали многочисленные исследования, устанавливается та шероховатость поверхности, которая соответствует данному процессу разрушения поверхностных слоев в период нормального износа. Она может стать более грубой или более гладкой, чем исходная шероховатость. Установление технологической шероховатости, близкой к эксплуатационной, сводит к минимуму 230
период приработки, так как в этом случае при отделении микрообъемов материала при износе поверхности воспроизводится аналогичный микрорельеф [83].
Основное влияние на процесс изнашивания оказывают постоянное возникновение и нарушение фрикционных связей, имеющих двойственную молекулярно-механическую природу. В работе [93] дана классификация этих связей, где выделено пять основных видов в зависимости от характера взаимодействия материалов, когда имеет место упругое или пластическое оттеснение материала, микрорезание, разрушение окисных пленок или разрушение основного материала в результате адгезии (молекулярного взаимодействия, табл. 16). Износ связан с многократным нарушением фрикционных связей. Таким образом, I—III виды фрикционных связей возникают при механическом взаимодействии материалов микровыступов, IV — при механическом (упругопластический контакт пленок) или молекулярном (схватывание пленок) и V вид—при молекулярном взаимодействиях.
Виды фрикционных сзязей (по И. В. Крагельскому)
Таблица 16
Вид	Схема	Характер деформирования	Число циклов до разрушения	Условие осуществления
I		Упругое оттеснение материала		А А о о о — о S
II		Пластическое оттеснение материала	1 < п С пкр	А	А о	-° 3
III		Микрорезание материала	п = 1	-^>0.1 (в) 4 >0,3 (г)
IV		Разрушение пленок	п > пкр	
V		Разрушение основного материала	п = 1	£<0
а	— черный металл; б — цветной металл; в — сухое трение; г-			— смазка.
231
Основными характеристиками, определяющими вид фрикционной связи, являются отношение глубины внедрения (или величины сжатия) единичной неровности Л к ее радиусу /?, а также градиент „ dx
механических свойств , определяющий различие между прочностью адгезионной связи и прочностью нижележащих слоев (т—сопротивление на сдвиг).
Разрушение основы элементарных фрикционных связей может происходить при различном числе циклов в зависимости от характера разрушения. Если разрушение в зоне пятна контакта связано с усталостью, то число циклов должно достигнуть критического значения пкр, соответствующего пределу усталости материала.
При различных видах фрикционных связей износ может возникать в результате следующих причин:
I — фрикционной усталости; II — малоцикловой фрикционной усталости; III — микрорезания при первых актах взаимодействия; IV — разрушения (в том числе усталостного) пленок; V — когезионного (адгезионного) отрыва материала при первых актах взаимодействия.
Следует отметить, что адгезионное схватывание относится к недопустимым видам и является следствием нарушения нормальной эксплуатации машин или ошибок при подборе материалов. Стараются также избежать процессов изнашивания, при которых возникает микрорезание, так как при этом значительно возрастает интенсивность процесса разрушения поверхностных слоев. Поэтому основные причины разрушения микрообъемов связаны с усталостными процессами.
2.	Усталостная природа изнашивания. Последние годы все большее распространение получает усталостная (кумулятивная) теория износа, когда основная причина разрушения поверхностных слоев связывается с возникновением усталостных трещин и отделением микроскопических чешуек материала или его окис-лов. При этом процесс изнашивания рассматривается как кумулятивный, т. е. суммирующий действие отдельных факторов при многократном нагружении фрикционных связей, что приводит в итоге к отделению частицы износа. Как правило, наличие пленки смазки, возникновение окислов, тепловой эффект и ряд других факторов влияют на интенсивность развития усталостного процесса, не изменяя его природы. Для объяснения физической сущности явлений усталости можно использовать исследования процессов развития усталостных трещин на базе представлений о вязкости разрушения при циклическом нагружении 1204].
Изучение развития усталостных трещин показало, что энергетический баланс напряженного состояния в зоне трещины (теория Грифита) тесно связан с особенностями развития дислокационной структуры материала. Электронно-микроскопический анализ позволил установить, что в зависимости от механических свойств 232
и напряженного состояния материала, температурных и других факторов наблюдается широкий спектр дислокационных структур. Перенос этих представлений в микрообъемы поверхностных слоев требует учета специфики контактных взаимодействий.
Основная концепция усталостной теории износа твердых тел' заключается в необходимости для разрушения микрообъемов многократных фрикционных воздействий, число которых зависит от напряженного состояния материала в зоне пятна контакта [93].
3.	Основные и производные процессы при износе материалов. Основным процессом, возникающим при трении материалов и приводящим к износу, является упругопластическая деформация] как результат взаимодействия микрорельефов поверхностей.-В свою очередь, этот процесс порождает и сопровождается целой гаммой производных физических, химических и механических процессов, протекающих на поверхностях и в поверхностных слоях трущихся тел. Это процессы окисления, теплофизические и коррозионно-механические процессы, усталостное разрушение, поверхностные явления (адсорбция) и др. [207].
Следует отметить, что на характер контакта двух тел и возникновение фрикционных связей оказывает влияние не только микрорельеф, но и тонкий (субмикро) рельеф, связанный с возникновением, развитием и взаимодействием дислокаций. В соответствии с представлениями физики твердого тела поверхность реального кристаллического тела представляет собой сложную систему блоков и выходов отдельных групп дислокаций.
При встрече субмикрошероховатостей мгновенно возникают новые дислокационные образования, которые охватывают не только места фактического контакта, но и прилегающие участки металла. Все это приводит к тому, что процесс разрушения поверхности, т. е. ее износ, связан с достаточно сложными явлениями.
Наиболее характерные процессы и явления, сопровождающие основной процесс изнашивания (взаимодействие микрорельефов и возникновение фрикционных связей), следующие.
1.	Возникновение высоких локальных температур, которые при больших местных давлениях могут достигать значений, соответствующих фазовым превращениям в поверхностных слоях, или приводящих к расплавлению металла (появлению «мостиков сварки»). Сочетание повторных механических и термических напряжений может вызвать появление микротрещин, смыкание. которых на некоторой глубине ведет к отделению материала..
2.	Протекание химико-термических процессов, таких, как образование пленок окисла или других химических соединений; растворение одного из трущихся тел под влиянием механохими-ческих процессов, протекающих в зоне контакта (например, исследованное акад. В. А- Белым растворение металла полимером [200]), охрупчивание поверхностного слоя под действием атомарного водорода, выделяющегося из смазки или из одного из тру
233
щихся тел [69] и др. Эти явления приводят к тому, что свойства поверхностного слоя, как правило, резко отличаются от свойств основного материала, а именно этот слой и подвергается разрушению. Проф. Б. И. Костецкий считает, что «главной особенностью нормального износа является отсутствие любых видов разрушения основного металла» [90].
3.	Влияние на трение и износ смазки, которая играет исключительную роль и во многом определяет интенсивность износа (см. гл. 5, п. 3). Следует иметь в виду, что, кроме положительного эффекта, смазка, попадая в микротрещины, может оказать расклинивающее действие, способствующее разрушению поверхностных слоев.
4.	Протекание процессов переноса материалов с одной поверхности на другую. Это перенос пленки более пластичного тела на твердое в результате молекулярного схватывания (намазывание), перенос стали или чугуна в результате наводороживания их поверхностных слоев на мягкое контртело (бронзу, пластмассу) [69] и так называемый избирательный атомарный перенос, открытый Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским [37].
Последнее явление происходит при трении пары «сталь—сплав меди» и заключается в выделении меди путем разрушения межатомных связей, переносе меди на поверхность стали и образовании тончайшего слоя меди, который не уносится из зоны контакта и переходит с одной поверхности на другую, что придает высокую износостойкость узлу трения.
Разнообразные процессы, протекающие в поверхностных слоях, приводят к появлению разновидностей процесса разрушения материала при износе, поскольку в период предразрушения могут происходить адсорбционные, физические, химические, структурные и другие превращения. При этом в условиях трения влияние этих процессов обычно более сильно, чем, например, при контактной или объемной усталости.
Как указывал в своем известном труде по физике твердого тела проф. В. Д. Кузнецов «при трении двух металлических тел происходят в миниатюре почти все те явления, которые мы наблюдаем при исследовании механических свойств металлов». Явления, связанные с разрушением поверхностей из-за усталости или других причин, при трении двух тел осложняются производными процессами, из которых основную роль часто играет окисление.
Образование на поверхностях металла тонких окисных пленок приводит к тому, что взаимодействуют уже не исходные материалы. Это влияет на процесс разрушения поверхностных слоев следующим образом.
Во-первых, окисные пленки, как правило, не схватываются так легко, как металлы, и адгезионные процессы в ряде случаев не оказывают существенного влияния на интенсивность изнашивания.
234
Изнашивание
Во-вторых, процесс определяется свойствами самих окисных пленок: либо они, отрываясь от основного металла, удаляются со смазкой, а на поверхности появляется новая пленка, либо идет непрерывное механическое изнашивание пленок, когда их разрушение подчиняется тем же закономерностям (в том числе усталостным), но с учетом механических характеристик пленок.
При трении качения окислительные процессы имеют свои особенности. Часто в этом случае, например, для подшипников качения окислительный процесс является ведущим.
4. Классификация видов изнашивания. Классификации видов изнашивания рассмотрены в трудах ряда известных специалистов в этой области [90, 93, 217].
Эти классификации базируются на выделении основных факторов, определяющих тот или иной процесс изнашивания. В ряде случаев имеется лишь терминологическое различие, не изменяющее сути явлений.
Стремясь охватить все виды изнашивания, авторы, как правило, включают в классификации как допустимые виды, проявляющиеся при нормальных условиях эксплуатации, так и недопустимые с высокой интенсивностью процесса (например, адгезионное изнашивание, сопровождающееся глубинным вырыванием частичек материала).
Согласно стандарту (ГОСТ 16429—70) все виды изнашивания можно разделить на три основные группы (рис. 75).
Механическое изнашивание происходит в результате только механических взаимодействий материалов изделия; молекулярномеханическое изнашивание сопровождается также воздействием молекулярных или атомарных сил; ко ррозионно-механическое изнашивание происходит при трении материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой, Разновидности этих про-
235
цессов характеризуются специфическими явлениями, вызывающими разрушение микрообъемов материалов при трении и неодинаковой интенсивностью процесса.
Абразивное изнашивание, при котором на трущихся поверхностях имеются абразивные частицы, разрушающие поверхность за счет резания и царапания с отделением стружки. Хотя, как правило, принимаются меры для того, чтобы избежать износа этого вида, обладающего большой интенсивностью, часто имеются причины для его возникновения.
Происходит это вследствие недостаточной фильтрации смазки или наличия абразива на поверхности трения, попадающего из окружающей атмосферы. Часто абразивные частицы являются продуктами износа — твердыми образованиями структурных составляющих разрушенных микрообъемов. Некоторые детали машин работают непосредственно в абразивной среде (лемеха плугов, зубья ковша экскаватора и др.).
Следует отметить, что абразивный износ может иметь место и без наличия посторонних частиц, если твердые составляющие одного из сопряженных тел могут отделять микрообъемы контртела в результате режущего или царапающего воздействия.
Гидро- и газоабразивное изнашивание этого вида, когда износ происходит в результате воздействия потока твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа, является разновидностью абразивного изнашивания. Этот вид изнашивания, а также такие, как эрозионное и кавитационное, когда нет контакта двух твердых тел, отнесены нами к процессам разъедания (см. гл. 2, п. 3).
Усталостное изнашивание является следствием циклического воздействия на микровыступы трущихся поверхностей, о чем было сказано выше. Отделение частиц может также происходить в результате наклепа поверхностного слоя, который становится хрупким и разрушается (иногда его называют изнашиванием при хрупком разрушении).
Следует различать контактную усталость поверхностных слоев, которая возникает при чистом качении и проявляется в развитии местных очагов разрушения (питтинг), и усталостный износ, когда при трении скольжения отделение микрообъемов поверхностей связано с усталостной природой разрушения. При разрушении поверхностей таких сопряжений, как кулачок—ролик, зубчатые передачи, опоры качения и др., могут иметь место оба вида разрушения. При большем проскальзывании основную роль играет изнашивание, которое протекает интенсивнее, чем образование осповидных (питтинговых) разрушений поверхности, Адгезионное изнашивание связано с возникновением в локальных зонах контакта поверхностей интенсивного молекулярного (адгезионного) взаимодействия, силы которого превосходят прочность связей материала поверхностных слоев с основным материалом, Образование адгезионных связей происходит в процессе 286
механического взаимодействия микровыступов контактирующих тел и сопровождается, как правило, значительным изменением потенциальной энергии поверхностных слоев. Это облегчает проявление атомно-молекулярных сил, которые зависят от природы контактирующих материалов.
Адгезионное изнашивание всегда связано с фрикционным переносом материала с одного тела на другое или с образованием прослоек. В некоторых случаях это может оказать благоприятное влияние на фрикционные характеристики пары, например при трении металлополимерной пары, когда полимер переносится на поверхность металла, образуя на ней мономолекулярный слой [200]. Однако при трении металлических пар адгезионное изнашивание приводит, как правило, к схватыванию контактирующих участков, глубинному вырыванию материала, переносу его с одной поверхности трения на другую и воздействию возникших неровностей на сопряженную поверхность. Этот вид износа относится к недопустимым видам повреждения, так как обладает высокой интенсивностью и приводит, как правило, к заеданию и отказу сопряжения.
Изнашивание в условиях избирательного переноса, наоборот, характеризуется атомарными явлениями в зоне контакта (см. выше) и приводит к практически безызносным парам. Образовавшийся на поверхности в результате своеобразных механохими-ческих процессов мягкий и тонкий слой, обогащенный медью, обеспечивает минимальное трение и способствует равномерному распределению давлений по поверхности трения.
Окислительное изнашивание происходит при наличии на поверхности трения защитных пленок, образовавшихся в результате взаимодействия материала с кислородом (см. выше).
Существуют различные формы окислительного износа 190}—-при удалении с поверхности трения ультрамикроскопических химически адсорбированных пленок (1-я форма), при удалении микропленок твердых растворов и эвтектик химических соединений кислорода и металла (2-я форма) и при периодическом образовании и выкрашивании сплошных твердых и хрупких слоев химических соединений кислорода и металла (3-я форма).
Следует иметь в виду, что наличие окисных пленок не исключает возможности их усталостного разрушения, а лишь вносит свою специфику, так как разрушается более хрупкий материал.
Особенность окислительного износа при трении качения заключается в том, что наличие больших деформаций в поверхностных слоях облегчает диффузию кислорода и его взаимодействие с металлом. Пластически деформированный и насыщенный кислородом слой под воздействием циклических нагрузок хрупко разрушается, затем этот процесс охватывает следующие слои металла.
Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит при относительных колебательных перемещениях контактирующих метал-237
лических поверхностей в результате вибраций или периодических деформаций элементов конструкции. На участках, поврежденных фреттинг-коррозией, протекают процессы схватывания, абразивное разрушение, усталостно-коррозионные явления, Данный процесс является многостадийным, который по современным представлениям состоит из следующих этапов [44]. Вначале происходит упрочнение поверхностей контакта и циклическая текучесть подповерхностных слоев. При этом происходит пластическая деформация микровыступов, схватывание ювенильных участков металла, возникновение и разрушение окисных пленок.
Вторая стадия фреттинг-коррозии (инкубационная) характеризуется развитием коррозионно-усталостных процессов и формированием коррозионно-активной среды вследствие адсорбции на окислах влаги и кислорода. Скорость изнашивания на этой стадии обычно невелика. Износ связан с образованием и удалением из зоны контакта разрушающихся окисных пленок.
Третья стадия фреттинг-коррозии, которая характеризуется высокой интенсивностью процесса, связана с разрушением поверхностных слоев, предварительно разрыхленных усталостными и коррозионными процессами. В зоне контакта может образоваться повышенное количество продуктов износа, что способствует интенсификации процессов разрушения вплоть до абразивного изнашивания. Эта стадия фреттинг-коррозии является недопустимой при эксплуатации изделий.
5. Классификация процессов изнашивания по скорости протекания элементарных актов разрушения. Рассматривая различные процессы изнашивания, можно сделать вывод, что интенсивность их протекания зависит от скорости процесса разрушения микрообъема материала при каждом элементарном акте взаимодействия пятен контакта (см. табл. 16).
По скорости процессов разрушения фрикционных связей все виды изнашивания можно разделить на три группы (табл. 17).
Быстро протекающие процессы разрушения микрообъемов, когда при первых же актах взаимодействия происходит отделение продуктов изнашивания. Эти явления приводят к большой интенсивности процесса и износ, как результат этих процессов, относится, как правило, к недопустимым видам повреждения. Исключение может составлять такой случай абразивного износа, когда за счет малой концентрации абразивных частиц на поверхности трения суммарная интенсивность изнашивания поверхности трения невелика.
Процессы средней скорости отделения элементарных микро-объемов материалов характерны при стадийных (циклических) процессах разрушения. К ним относятся процессы, интенсивность которых может изменяться в достаточно широких пределах и поэтому они могут относиться как к допустимым, так и недопустимым видам повреждения.
238
Таблица 17
Классификация процессов изнашивания по скорости элементарных актов разрушения
Скорость элементарных процессов разрушения	Вид изнашивания			Вид повреждения
	механическое	молекулярно-механическое	коррозионномеханическое	
Быстро протекающие	Абразивное изнашивание	Адгезионное изнашивание при заедании	Фреттинг— коррозия (3-я стадия)	Недопустимый
Средней скорости (стадийные процессы)	Усталостное малоцикловое изнашивание (при хрупком разрушении)	Изнашивание при молекулярном переносе	Окислительное изнашивание (3-я форма)	
				Допустимый
Медленные процессы	Усталостное изнашивание	Изнашивание при избирательном переносе	Окислительное изнашивание (1-я и 2-я формы)	
Медленные процессы разрушения микрообъемов происходят, когда для отделения частицы износа требуется достаточно большое число циклов (усталостное и окислительное изнашивания) или при стабилизации процесса взаимодействия, когда вообще не будет последующего отделения частичек износа (избирательный перенос).
Если при взаимодействии поверхностей имеют место условия для возникновения изнашивания различных видов (табл. 17), то протекает тот, который обладает большей скоростью.
Могут быть также многостадийные процессы, если процесс изнашивания, характеризующийся малой скоростью, подготавливает условия для возникновения быстропрстекающего процесса, например переход окислительного износа в фреттинг-коррозию.
Для управления процессом изнашивания и расчета на износ сопряжений необходимо знать закономерности его протекания для допустимых видов и условия, не допускающие возникновения нежелательных видов изнашивания.
2.	Основные закономерности изнашивания
1.	О закономерностях изнашивания материалов. Для расчета и прогнозирования надежности изделий при их износе, для выбора рациональных материалов, размеров и конструкции сопряжений при заданных условиях их работы необходимо знать основные закономерности процесса изнашивания материалов. Только численная оценка степени повреждения материала детали при износе (см, гл, 2, п, 4) позволяет решать указанные выше задачи.
239
Показателями износа в соответствии с общим методическим подходом по оценке степени повреждения являются:
линейный износ U (мкм) — изменение размера поверхности при ее износе, измеренное в направлении, перпендикулярном к поверхности трения;
скорость изнашивания у = (мкм/ч) — отношение величины износа ко времени, в течение которого он возник (ГОСТ 16429—70);
dU
интенсивность изнашивания / =	----отношение величины
износа к относительному пути трения (s), на котором происходило изнашивание; эта величина будет безразмерной, если линейный износ и путь трения измеряются в одних единицах.
Закон изнашивания материалов должен в общем виде выражать в аналитической форме зависимость U или у от следующих факторов:
от силовых и кинематических параметров и в первую очередь от давления на поверхности трения р и скорости относительного скольжения и;
от параметров, характеризующих состав, структуру и механические свойства материалов пары (например, его твердость Я, предел текучести <ys, модуль упругости Е и др.);
от свойств поверхностного слоя — его шероховатости, жесткости, напряженного состояния и т. д. (например, от показателей опорной поверхности b, v);
от вида трения и смазки;
от внешних условий, влияющих на процесс изнашивания —• температуры, наложения вибраций, наличия вакуума и др.
Кроме того, все закономерности должны описывать изменения износа во времени t.
Из сказанного видно, что получение таких зависимостей является чрезвычайно сложной задачей, которая в настоящее время находится в стадии становления. Особенно сложно отыскать зависимости, опираясь на физическую сущность процесса в функции его физико-химических параметров.
Поэтому часто используют зависимости, основанные на эмпирических данных для определенного вида изнашивания, при установленных условиях его протекания и для выбранного сочетания материалов. Хотя всегда желательно получать более общие закономерности, но и зависимости, охватывающие лишь некоторый диапазон условий изнашивания и выраженные в аналитической форме, позволяют решить многие вопросы расчета и прогнозирования изделий.
Следует подчеркнуть, что здесь речь идет о закономерностях износа материалов, абстрагируясь от конструктивных форм и особенностей сопряжений, т. е. рассматривается микрокартина явлений (см, гл., 6, п, 1),
24Q
Рис. 76. Периоды протекания износа во времени:
/ — приработка; II — нормальный износ; /// — катастрофический изноо
2.	Протекание износа во времени. Изнашивание является многостадийным процессом, поэтому изменение износа во времени обычно выражается кривой, состоящей из двух или трех участков (рис. 76).
Классическая форма кривой износа состоит из трех участков (рис. 76, а). В период микроприработки I, происходит изменение начального (технологического) рельефа поверхности в эксплуатационный (см. рис. 74). В этот период скорость изнашивания монотонно убывает до значения у = const, характерного для периода JI установившегося (нормального) износа. Если нет причин, изменяющих параметры установившегося процесса изнашивания, то он протекает стационарно и возможные отклонения от средней скорости процесса за счет его стадийности не влияют на общую линейную зависимость износа от времени. Для некоторых случаев характерен период III катастрофического износа, когда наблюдается интенсивное возрастание скорости изнашивания. Этот период связан, как правило, с изменением вида изнашивания в результате активизации факторов, влияющих на процесс и зависящих от степени износа.
Встречаются разновидности данной кривой, например, когда накопление отрицательных факторов, влияющих на процесс, продолжается непрерывно и нет различия между II и III периодами (рис. 76, б). В других случаях, наоборот, происходит стабилизация износа и у монотонно убывает (рис. 76, в).
241
Для деталей машин период катастрофического износа, как правило, не проявляется или не допускается. Схема на рис. 76, б свидетельствует о нерациональных условиях эксплуатации (например, происходит накопление абразива на поверхности трения). Кривая 76, в свидетельствует, что период приработки продолжается длительное время, т. е. износ протекает крайне медленно, а технологический рельеф существенно отличается от эксплуатационного.
Учитывая, что период приработки необходимо сокращать до минимума, можно сделать вывод о том, что линейная зависимость между износом и временем (у = const) наиболее типична при работе сопряжений машин,
Таким образом, для установившегося износа
U = kt = yt;	(1)
для износа с учетом периода приработки
U = Un + ytt	(2)
где Un — износ за период приработки.
В некоторых случаях, особенно когда период приработки достаточно велик, скорость изнашивания можно приближенно выразить одним уравнением вида
Т(О = (Уо —+	(3)
где у о и — соответственно скорость изнашивания в начальный момент времени (t = 0) и при установившемся износе (/ —> оо). В зависимости от параметра а через определенный промежуток времени, соответствующий периоду приработки, скорость изнашивания, полученная по данной формуле, близка к постоянной. С известным приближением протекание износа во времени при значительном периоде приработки может быть также выражено уравнением степенной параболы.
3.	Зависимость износа от давления и скорости скольжения. Давление на поверхности трения р и скорость относительного скольжения v являются основными параметрами, связанными с конструкцией и кинематикой сопряжений.
При установлении аналитических зависимостей следует иметь в виду, что, во-первых, они должны относиться только к допустимым видам изнашивания и, во-вторых, характеризовать процесс с определенной физической закономерностью явлений.
Так, например, при рассмотрении различных зон процесса изнашивания в функции скорости (см. рис. 13) для расчета надежности надо иметь закономерности лишь для II зоны стационарного износа. Для I и III зон, соответствующих недопустимым (патологическим) видам износа, надо знать лишь условия, при которых они могут возникнуть.
242
Анализ большого числа исследований износа различных материалов в условиях граничного трения и трения без смазки показывает, что в общем случае скорость изнашивания может быть выражена зависимостью
у = kpmvn,	(4)
где /п = 0,5-3 и для большинства пар трения п = 1; k— коэффициент износа, характеризующий материал пары и условия изнашивания.
Для абразивного и ряда других видов изнашивания tn = п = 1,
у = kpv,	(5)
или
U = у/ == kpvt = kps,	(6)
где s = vt— путь трения.
Если все линейные величины выражать в одинаковых единицах, то размерность коэффициента износа k будет обратна размерности давления.
Из формулы (6) видно, что при п = 1 износ не зависит от скорости относительного скольжения, а лишь от пути трения.
На значение коэффициента k влияют характеристики применяемых материалов пары, условия в зоне контакта и в первую очередь смазка поверхностей.
Зависимость скорости или интенсивности изнашивания от режима работы сопряжения и прочностных характеристик материала наиболее желательно выразить на основании теоретических предпосылок о характере взаимодействия поверхностей.
Так, опираясь на представление о природе дискретного касания твердых тел, проф. И. В. Крагельский предлагает следующую общую формулу для оценки интенсивности изнашивания 194J:
h Рн *о
R рф п
(7)
где — отношение глубины внедрения единичной неровности
Рн	.
к ее радиусу; — отношение номинального давления к факти-Рф
ческому; k0 — постоянная, характеризующая распределение не-
ровностей по высоте; п — число циклов до разрушения неровностей.
Как видно из приведенной формулы, интенсивность изнашивания оценивается произведением трех безразмерных отношений, из которых первое характеризует вид взаимодействия — упругое, пластическое, микрорезание. Обычно контакт бывает упругим, поэтому h : R = 0,1—0,001.
243
Второе отношение в зависимости от размера и конфигурации деталей может меняться в пределах 0,1—0,001 (в первом приближении можно считать, что оно равно отношению номинального давления к твердости).
Наиболее заметно изменяется третье отношение. Обычно /?о = 0,18-^0,22. Число циклов до разрушения п может колебаться в широких пределах: от 105 до 1012. Его следует определять из экспериментов на фрикционную усталость или по формуле Пе=(^_у,	(8)
где св — предел прочности; f — коэффициент трения.
Показатель у зависит от смазки и механических свойств трущихся тел. В условиях упругого контакта он может составлять 10—15.
Из сравнения формул (7) и (5) видно, что они выражают аналогичные зависимости, поскольку скорость и интенсивность изнашивания связаны соотношением
Т = iv,	(9)
ds
r^QV~~di-----скорость относительного скольжения.
•Формула (7), так же как и формула (5), показывает линейную зависимость износа от номинального давления и скорости скольжения, однако в ней раскрыты структура коэффициента износа kt его зависимость от вида контакта, механических характеристик материала, микрогеометрии поверхности и других факторов.
В ряде случаев используют более простые закономерности. Так, например, в работе [233] приводится общее уравнение Арчарда [227 ] для изношенного объема материала уу в виде
Vv = -~7 ps.	(10)
Если давление не превосходит предела текучести as, то при данном механизме износа = const.
as
Следует иметь в виду, что приведенные уравнения, хотя и написаны в детерминированном виде, могут рассматриваться как функции случайных аргументов. Это позволяет оценить параметры случайного процесса изнашивания. Так, определение математического ожидания и дисперсии процесса изнашивания, описываемого уравнением (5), было приведено выше (см. гл. 2, п. 5).
4.	Зависимость износа от механических характеристик материалов. На скорость изнашивания существенное влияние оказывают механические характеристики материала, его химический состав и структура. Поскольку отделение продуктов изнашивания возможно лишь при разрушении микрообъемов, все прочностные 244
характеристики материалов играют определенную роль в каждом элементарном акте разрушения. Так, число циклов п в формуле (8)* выражается известной кривой усталости Велера и показывает зависимость этого параметра от основной механической характеристики материала — предела прочности ов. Есть и другие методы расчета критического числа циклов пк, которые опираются на зависимости для малоцикловой усталости (при пластическом контакте).
В общем случае из механических характеристик с износостойкостью связаны в первую очередь предел текучести или прочности, предел усталости и твердость материала.
Так, проф. М. М. Хрущов и М. А. Бабичев [217] исследовали различные материалы и сплавы на износ при трении об абразивное полотно и определяли так называемую относительную износостойкость материалов е, т. е. отношение износа эталонного материала к износу испытуемого. Исследования показали, что основной характеристикой абразивной износостойкости является твердость металлов и сплавов. Для чистых металлов и термически необработанных сталей имеется линейная зависимость между их твердостью и износостойкостью:
& = ЬН,	(И)
где 8 — относительная износостойкость абразивного изнашивания; Н — твердость по Виккерсу; b — коэффициент пропорциональности (b 7,3).
Для термически обработанных сталей износостойкость также возрастает с увеличением твердости, но в меньшей степени.
Если твердость повышена путем механического наклепа поверхности, то это практически не скажется на повышении абразивной износостойкости материала, что определяет с точки зрения износостойкости важность не только значения, но и происхождения твердости материала — получена ли она естественным путем (без искажения кристаллической решетки за счет изменения химического состава металла или сплава) или путем термообработки, или путем наклепа.
5.	Влияние на износ структуры материалов. Существенное влияние на износостойкость оказывают структура, химический состав и вид термообработки материалов.
Для сплавов положительное влияние на повышение износостойкости, как правило, оказывают мелкозернистая структура, наличие твердых структурных составляющих, воспринимающих основную нагрузку, наличие включений (например, графитных), играющих роль твердой смазки.
При этом в ряде случаев требования к структуре материалов, работающих в условиях износа и в качестве элементов конструкций, несущих нагрузки, различны. Например, каксйоказано в работе [56], для чугунов, легированных редкоземельными элемен-
245
тами, правильная глобулярная форма графита не обязательна при применении их в качестве антифрикционных материалов. Основную роль здесь играет легирование структурных составляющих металлической матрицы.
Часто структура материала оказывает такое влияние на процесс изнашивания, что механические характеристики материала уже недостаточны для оценки интенсивности процесса. Так, исследования изнашивания чугуна для направляющих скольжения станков, приведенные в ЭНИМСе (В. Н. Митрович), показали, чго твердость по Бринеллю не определяет однозначно скорости изнашивания. Необходимо учитывать также микротвердость перлита, расстояние между включениями графита, их размеры и другие характеристики микроструктуры.
При оценке влияния структуры сплавов на их износостойкость следует иметь в виду, что в процессе трения в тонком поверхностном слое происходит образование новых фаз и структур [71 1.
Особенно сильные изменения происходят при образовании окисных и других пленок, предохраняющих поверхность металла от непосредственного контакта. Проф. Б. И. Костецкий указывает, что «износостойкость при окислительном изнашивании определяется интенсивностью образования и свойствами вторичных структур, возникающих в процессе трения» [90].
Большое влияние на скорость процесса изнашивания оказывают смазка и вид трения.
3.	Влияние на изнашивание вида трения и смазки
1.	Влияние вида трения. Износ всегда связан с относительным перемещением и может иметь место при трении скольжения, качения и качения с проскальзыванием. Как было показано, при анализе фрикционных связей для протекания процесса изнашивания необходимо их многократное возникновение и разрушение при относительном смещении микровыступов. Это условие выполняется при относительном скольжении поверхностей. Однако и при чистом качении упругих тел в зоне контакта возникают сложные явления, связанные с напряженным состоянием [80; 140] и с проскальзыванием, которые могут привести к их изнашиванию, а не только к усталости поверхностных слоев.
Еще О. Рейнольдс в своем классическом исследовании трения качения установил, что при контакте тел возникает их относительное проскальзывание и поэтому, например, путь, проходимый катящимся по плоскости цилиндром, больше рассчитанного из чисто геометрических соотношений. При этом величина этого проскальзывания зависит от механических свойств материала. Большое значение имеют теоретические исследования академика 246
А. Ю. Ишлинского 173], который определил зависимость сопротивления качению от скорости движения для случая качения жесткого катка по релаксирующему и упруговязкому основанию.
Д. Тейбор [243], изучая явления, происходящие при качении, утверждал, что главная роль в образовании сил сопротивления качению и возникновению проскальзывания принадлежит упругому гистерезису внутри материала. При качении поверхность контакта состоит из участков сцепления и скольжения. Это проскальзывание может вызывать износ и при «чистом» качении. Если же кроме этого возникает также и кинематическое проскальзывание, то оно оказывает решающую роль в возникновении износа [161 ].
Следует иметь в виду, что между силой или работой трения и скоростью изнашивания поверхности нет непосредственной зависимости, поскольку работа, расходуемая на изнашивание, как правило, составляет небольшую часть всей работы трения. Поэтому возможны значительные изменения интенсивности изнашивания материалов, особенно при сухом трении, при сравнительно небольшом колебании коэффициента трения. Возникновение сил трения и износ поверхностей — это различные проявления процесса контактирования шероховатых поверхностей при их трении.
2.	Влияние смазки. Сильное влияние смазки на интенсивность изнашивания пар трения общеизвестно [51; 90, 229, 246]. При сухом трении имеет место наибольшая скорость изнашивания, так как здесь создаются условия для возникновения молекулярного взаимодействия и таких явлений, как повышение температуры, концентрация давлений на отдельных участках, что интенсифицирует процесс разрушения поверхностных слоев. При работе деталей машин стремятся избежать сухого трения.
Наиболее желательны, с точки зрения предотвращения износа, жидкостное трение или газовая смазка. Слой смазки устраняет непосредственный контакт двух поверхностей, благодаря чему не только значительно уменьшаются силы трения, но создаются условия для устранения или резкого уменьшения износа поверхностей.
Жидкостное трение, при котором трущиеся поверхности полностью разделены слоем смазки, может быть обеспечено двумя основными методами — гидродинамическим и гидростатическим (подача смазки под давлением).
Однако жидкостное трение обладает рядом недостатков. Во-первых, оно связано с существенным усложнением конструкции системы смазки. Во-вторых, наличие масляного слоя между поверхностями, величина которого зависит от нагрузки, может нарушить точность перемещения узла.
В последние годы появились высокооборотные узлы (шпиндели внутришлифовальных станков, малогабаритные турбины) на аэро
247
динамических опорах, а также поступательные пары на воздушной (аэростатической) подушке, где поверхности разделяет слой воздуха, который служит смазкой. При надежном разделении трущихся поверхностей смазкой износ практически исключается, он возможен лишь в результате физико-химического действия жидкой среды или газа, в периоды нарушения жидкостного трения, при попадании в смазку абразивных частиц или за счет процесса кавитации.
Наиболее характерным для большинства узлов трения является граничное трение, когда слой смазки не превышает 0,1—0,2 мкм (см. гл. 2, п. 2). В этом случае на трение и износ оказывают влияние как характеристики сопряженных материалов, так и свойства смазочного слоя. Износ может происходить при локальных разрывах масляной пленки и при передаче усилий через эту пленку, которая играет роль эластичной прокладки и обладает некоторыми свойствами квазитвердого тела.
Вопросам граничного трения посвящены труды А. С. Ахматова [7], П. А. Ребиндера [106], Б. В. Дерягина и других исследователей. Наличие граничного смазочного слоя приводит к таким явлениям как: более равномерное распределение контактных напряжений, их деконцентрация, уменьшение температурных влияний, поверхностное текстурирование и др.
Существенное влияние на процесс разрушения поверхностных слоев оказывает эффект адсорбционного пластифицирования, т. е. облегчения пластических деформаций в результате действия поверхностно-активных веществ (эффект Ребиндера). Взаимодействие поверхностно-активных веществ слоя граничной смазки с поверхностным слоем металла может привести к понижению прочности и возникновению хрупкого разрушения при малой интенсивности напряженного состояния.
В целом можно сказать, что граничное трение существенно уменьшает по сравнению с сухим трением скорость изнашивания, при этом на основные процессы, происходящие при разрушении микрообъемов поверхностных слоев влияют как свойства сопряженных металлов, так и характеристики смазки.
Следует учитывать также, что и сама тонкая масляная пленка, нанесенная на металл, с течением времени изнашивается, теряя свои антифрикционные свойства, как это установлено Б. В. Дерягиным и его сотрудниками.
Влияние вида трения на условия взаимодействия микровыступов сопряженных поверхностей схематично показано на рис. 77. При жидкостном трении каждый участок поверхности нагружен постоянным давлением, не изменяющимся при относительном перемещении поверхностей, т. е. статической нагрузкой. Эта нагрузка не в состоянии разрушить микровыступы, так как возникающие напряжения находятся в области больших запасов прочности.
248
Рис. 77. Зависимость нагрузок на микровыступы поверхностей от вида трения
При граничном трении, хотя и происходит перераспределение внешней нагрузки, но имеются более нагруженные зоны в месте сближения микровыступов. Поэтому при относительном движении тел происходит колебание напряжений в каждом микровыступе и создаются условия для их усталостного разрушения. Правда, коэффициент асимметрии цикла г = gm- здесь близок к единице ° max
из-за эффекта выравнивания эпюры давлений и поэтому интенсивность разрушения микровыступов значительно снижается. Кроме того, слой смазки предотвращает молекулярное взаимодействие. При сухом трении имеет место непосредственный контакт микровыступов и нагрузка концентрируется в отдельных зонах. При относительном перемещении напряжение в микровыступах может падать до нуля (amln = 0) и коэффициент асимметрии цикла равен нулю или имеет малую величину. Здесь создаются условия Для усталостного разрушения или пластической деформации ми
249
кровыступов, что и приводит к усталостному или абразивному, а при наличии окисных пленок—к окислительному изнашиванию.
3.	Выбор смазки. В условиях граничного трения от смазки требуется, во-первых, создание прочной поверхностной пленки, что связано с явлением смачивания и налипания, и, во-вторых, способность взаимодействовать с поверхностными слоями материала и изменять их структуру и свойства (модифицировать).
Изменение состояния поверхностных слоев металла проявляется в виде пластической деформации и механического упрочнения, хемосорбции и диффузии из смазочной среды и образования вторичных структур. На эти процессы большое влияние оказывают поверхностно-активные вещества, раскрытию механизма взаимодействия которых с материалом поверхности посвящена специальная литература [26; 166].
Поверхностно-активные вещества оказывают двоякое действие на протекание процессов изнашивания. С одной стороны, их наличие в смазке интенсифицирует процесс разрушения поверхностных слоев за счет проявления эффекта П. А. Ребиндера (в том числе расклинивающего действия смазки в микротрещинах). С другой стороны, поверхностно-активные вещества до определенной их концентрации в смазке значительно снижают силы трения и в результате силовые нагрузки на микровыступы уменьшаются. Суммарное влияние поверхностно-активных веществ на скорость разрушения поверхностного слоя зависит от их количественного содержания в смазке и может как интенсифицировать, так и замедлять процесс усталостного изнашивания. Поэтому большое значение имеет применение специальных противоизносных присадок [26].
В качестве смазочных материалов в машинах применяются жидкие минеральные масла, густые (консистентные), а в ряде случаев и твердые смазки. Преимущественное распространение получили минеральные масла, которые хорошо подходят для смазки ответственных быстроходных сопряжений и позволяют более легко осуществлять централизованную смазку. Выбор того или иного сорта смазки зависит в первую очередь от скоростей относительного скольжения и нагрузок, действующих в сопряжениях. При прочих равных условиях, чем выше скорость относительного скольжения и чем меньше давление в сопряжении, тем меньшей вязкостью должно обладать масло.
Часто выбор сорта смазки осложняется тем, что в машине имеется большое разнообразие пар трения, работающих при различных скоростях и нагрузках. Применение разных смазок неоправданно усложнило бы конструкцию смазочной системы и затруднило эксплуатацию машины. Поэтому стремятся применить одну систему смазки для всей машины или для одного узла (в сложных машинах).
250
При работе смазочных систем существенное значение имеет надежная фильтрация смазки, чтобы инородные частицы и продукты износа при циркуляции смазки не попадали на трущиеся поверхности. Выбору сорта смазки, конструкции смазочных систем, а также теоретическим основам смазки посвящены многие научные труды.
4.	Твердые смазки. Расширение диапазона условий, в которых работают узлы трения современных машин — работа в вакууме, при высоких и низких температурах, при больших давлениях и скоростях, при действии агрессивных сред и т. д., а также наличие в машине труднодоступных для смазки мест или недопустимость жидкой смазки (текстильные и пищевые машины), привели к появлению новых видов смазок. Поскольку жидкие и консистентные смазки непригодны для указанных целей, применяются твердые смазки, которые используются в виде тонких покрытий, в качестве структурных составляющих подшипниковых сплавов, как порошки и присадки к обычным смазкам, путем пропитки пластмасс и другими способами. В качестве материала для твердых смазок обычно используются графит, дисульфид молибдена, полимеры (фторопласты, графитопласты, капрон), металлокерамические композиции, пластичные металлы (серебро, золото, свинец, индий), металлические соли высокомолекулярных жирных и смоляных кислот (мыла) [180, 190].
Механизм действия твердых смазок разнообразен и зависит от типа смазки. Наиболее исследованы так называемые слоистые твердые смазки (графит, дисульфид молибдена, слюда), когда анизотропия их прочностных свойств (малое сопротивление сдвигу по плоскостям спайности) облегчает процесс трения. Кроме того, играет роль адсорбция воды, которая обеспечивает хорошую смачиваемость графита.
При движении трущихся тел частицы графита, введенные в смазку или в покрытие (пленку), получают ориентацию в направлении движения, уменьшают силы трения и разделяют поверхности. Находят применение также так называемые самосма-зывающиеся материалы, в состав которых органически входят твердые или жидкие смазки. Это обычно полимерные, пористые металлические и металлокерамические композиции, пропитанные специальными составами или содержащие составляющие, действующие как смазка.
Все большее распространение находят композитные самосма-зывающиеся материалы, в которых в качестве связующих используются различные полимеры (как термопластичные, так и термореактивные), а наполнителями являются сухие смазки, обеспечивающие необходимые фрикционные свойства.
В качестве наполнителей широкое применение получили твердые смазки, имеющие ламинарную структуру: графит, MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, NbSe2, Pbl2, Cdl2, BI2, Agl2, SbS, BN (нитрид бора), PbO, CdO и др. [200, 109, 176, 180].
251
Большое распространение получили сухие смазки с дисульфидом молибдена (MoS2), для которых повышение рабочей темпера? туры в зоне трения до 100° С приводит к снижению коэффициента трения из-за испарения влаги. Дальнейшее повышение температуры, а также повышенное содержание влаги опасны, так как способствуют окислению MoS2 и образованию трехокиси молибдена с абразивными свойствами и серной кислоты, что приводит к интенсивному износу поверхностей. При использовании дисульфида молибдена следует также опасаться повышения коэффициента трения после остановки узла трения (так называемый стоп-эффект).
Графит и графитные материалы обладают хорошей теплопроводностью и обеспечивают стабильные фрикционные свойства. Однако при превышении некоторого определенного для данных условий критического давления коэффициент трения и скорость изнашивания возрастают из-за разрушения углеграфитового материала и пара становится неработоспособной 1176].
Применение в качестве твердых смазок сульфидов, селенидов и. теллуридов титана, циркония, гафния и тория обеспечивает низкий коэффициент трения, особенно при трении этих материалов друг по другу. Однако при трении по металлическим поверхностям они имеют худшие антифрикционные характеристики, чем графит. В настоящее время имеется большое число различных антифрикционных материалов и покрытий. Как указано в монографии 1200] «невозможно перечислить беспредельные комбинации полимер-комплекс наполнителей (сухих смазок)».
При использовании твердых смазочных покрытий длительность сохранения ими начальных свойств определяет срок службы данного узла трения. При этом режимы работы и среда, в которой работает сопряжение, оказывают существенное влияние па долговечность твердых смазок.
При работе в атмосферных условиях помимо света, влаги и кислорода воздуха основным фактором, определяющим долговечность покрытий, является температура. Обычно имеется оптимальный диапазон температур, в котором данная твердая смазка имеет наибольшую стойкость.
В качестве примера на рис. 78 показана зависимость срока службы твердых смазочных покрытий из дисульфида молибдена, графита и их смеси (1 : 9) от температуры [180]. Связующим веществом была мочевиноформальдегидная смола, толщина по крытий порядка 10—40 мкм.
Таким образом, при применении твердых смазок работоспособность узла трения определяется в основном не свойствами материалов пары, а износостойкостью самого смазочного покрытия.
Для различных условий работы следует определять скорость или интенсивность изнашивания твердых покрытий, что позволит рассчитать срок службы сопряжения. Так, например, исследо-252
Рве. 78. Зависимость срока службы твердых смазочных покрытий от температуры: / — MoS2; 2 «* графит; 3 — MoSe+ графит
ваниями Н. П. Истомина и М. М. Хрущова [72] установлено, что износостойкость композиции фторопласта-4 с графитом (30%) зависит от ориентации плоскостей спайкости графита и от способа спекания массы. Для трения без смазки пары (стальной закаленный вал d = 30 мм и образец 15x5 мм при нагрузке Р = 400 Н) и скорости скольжения v = 0,5 м/с получены значения объемной скорости изнашивания в пределах yv = = 0,34-1,35 мм3/ч.
В настоящее время перед исследователями стоят задачи не только экспериментальной оценки стойкости различных твердых смазок, но и выявление закономерностей их износа на основе рассмотрения физики процесса их разрушения.
5. Трение и износ в экстремальных условиях (вакуум, высокие температуры). При работе узлов трения в различных машинах в ряде случаев возникают специфические условия, при которых нарушается обычный характер взаимодействия поверхностей.
К таким экстремальным условиям трения и износа приводит, как правило, работа в вакууме и при высоких температурах [198, 199].
В обоих случаях затрудняется образование окисных пленок и возникает контакт ювенильных поверхностей, что приводит к образованию адгезионных связей и интенсивному схватыванию. Интенсифицируются процессы упрочнения и разупрочнения материала, фазовые переходы, а для неметаллических материалов
в вакууме может происходить испарение отдельных составляющих. Интервал условий (давления, температуры), в которых происходит резкое изменение свойств пары трения, для различных материалов изменяется в достаточно широком диапазоне. Работоспособность сопряжений в этих условиях может быть обеспечена при применении специальных твердых смазочных покрытий. Эффективность этих покрытий зависит от выбора состава суспензии, способа ее нанесения, от материала подложки и обработки ее поверхности. В качестве критерия для оценки работоспособности твердых смазок при их испытании принимают обычно время работы покрытия до резкого необратимого повышения коэффициента трения. Толщина покрытия на стадии проектирования определяется из условия обеспечения необходимого зазора в со-
253
Коэффициенты износа для твердых смазочных пленок
Таблица 18
Твердая смазочная пленка	k, 1/МПа
Высокотемпературные окислы с керамическими связующими MoS2 с неполиамидными смолами или на керамических связующих MoS2 с полиамидной смолой MoS2 графит и металлические порошки	10-3 10-а 10"» Ю-го
пряжении при заданном ресурсе. Анализ экспериментальных данных по износу твердых смазочных покрытий позволил Финкину (232] сделать вывод, что в области контактных напряжений до 70 МПа износ пленок пропорционален нагрузке и пути трения, т. е. подчиняется уравнению (5) гл. 5, п. 2. Примерные значения коэффициента износа k j для твердых смазочных пленок указаны в табл. 18.
Критическая толщина пленки /iKp, ниже которой из-за потери упругих свойств износ начинает резко возрастать, в работе [242] представлена уравнением
/гкр = 20000-^,	(12)
где Wa — удельная энергия адгезии между поверхностями.
В настоящее время наибольшее применение при работе в вакууме и при повышенных температурах получили твердые смазки на основе дисульфида молибдена с различными связующими веществами, надежно обеспечивающие адгезию твердых частиц покрытия к поверхности трения.
4.	Методы измерения износа
1.	Классификация методов измерения износа.; Существуют разнообразные методы измерения износа от простейших, когда обычными средствами производят измерение размеров изнашивающихся деталей, до методов, использующих ядерно-физические процессы. Область применения тех или иных методов измерения износа определяют: поставленная цель исследования, требуемая точность измерения, возможность измерения малых износов, время, необходимое для измерения износа, возможность измерения износа в условиях эксплуатации без разборки, а в ряде случаев без остановки машины, затраты времени и средств, необходимые для всего цикла подготовки, осуществления и обработки результатов измерения 1144].
254
Допустимые виды износа обычно связаны с полным повреждением поверхностей и для измерения износа могут применяться как интегральные, так и дифференциальные методы оценки повреждений (см. гл. 2, п. 4).
Наиболее целесообразны, как правило, дифференциальные методы, которые позволяют определить распределение износа по всей поверхности трения и оценить то влияние, которое оказывает неравномерность износа на выходные параметры изделия. В ряде случаев применяются также методы оценки износа по выходным параметрам изделия или сопряжения. Классификация методов измерения износа приведена в табл. 19.
Измерение величины износа по потере веса или объема детали применяется, как правило, при исследовании образцов и непригодно для большинства деталей машины. Оценка износа по изменению выходных параметров сопряжения дает лишь косвенное представление о величине износа вследствие причин, указанных выше (см. гл. 2, п. 4).
Рассмотрим основные методы, применяемые для измерения износа поверхностей трения при работе различных сопряжений в условиях их эксплуатации или испытания.
Таблица 19 Классификация методов измерения износа поверхностей трения
Метод измерения		Разновидности метода
Интегральный	Оценка суммарного износа	По изменению массы образца По изменению объема образца Измерение зазора сопряжения
	Продукты износа в смазке	Химический анализ Спектральный анализ При помощи радиоактивных изотопов
Дифференциальный	Ми крометрирование	Измерение размеров Профилографирование
	Метод искусственных баз	Метод отпечатка Метод лунок Метод слепков
	Метод поверхностной активации	Активация участка Применение вставок
Изменение выходных параметров сопряжения		Измерение: коэффициента трения, утечек или расхода смазки, температуры
255
2.	Определение износа по содержанию продуктов изнашивания в смазке. Данный метод, который часто называют «определение железа в масле», основан на взятии пробы в отработанном масле, где накопились продукты износа, представляющие собой металлические частицы, окислы металлов и продукты химического взаимодействия металлов с активными компонентами смазки.
Применение этого метода позволяет избежать разборки машин и их узлов. Метод применяется в лабораторных условиях и при эксплуатации для измерения интегрального износа различных узлов машин, например, технологического оборудования, транспортных и нефтепромысловых машин, двигателей внутреннего сгорания, зубчатых передач и т. д. Точность метода характеризуется чувствительностью приборов к содержанию металлических примесей в масле, которая составляет 10~6 —10-8 г в 1 см3 масла. Линейный износ данным методом оценить затруднительно.
При отборе пробы необходимо, чтобы она характеризовала среднее содержание продуктов износа в смазке, Например, при взятии пробы из картера двигателя масло сливают и тщательно перемешивают.
Для анализа проб масла на содержание железа и других составляющих применяются различные методы.
'Химический метод основан на определении содержания железа и других продуктов изнашивания в золе сожженной масляной пробы. Непосредственный анализ пробы сложен и длителен.
' Спектральный метод основан на определении содержания металлических примесей в смазке посредством спектрального состава пламени при сжигании пробы масла. Метод достаточно сложный, длительный и дорогостоящий, требующий высококвалифицированного персонала.
Радиометрический метод основан на измерении радиоактивности продуктов изнашивания, содержащихся в смазочном масле, накапливающихся в масляно?л фильтре в результате износа радиоактивных деталей. Радиоактивность деталей создается введением радиоактивных изотопов в плавку или с помощью покрытия деталей радиоактивным слоем.
Активационный анализ имеет общие черты со спектральным и радиометрическим методами. Содержание продуктов изнашивания в смазке определяется по их радиоактивности посредством анализа спектров гамма-излучения пробы после облучения взятой пробы нейтронами. При использовании метода активационного анализа радиационная опасность отсутствует 11381.
3.	Метод микрометрических измерений. Метод микрометри-рования основан на измерении детали до и после изнашивания при помощи микрометра, индикатора или других приборов, точность которых обычно находится в пределах 1—10 мкм. На точность измерения влияет контакт исследуемой поверхности с измерительным наконечником прибора, а также качество очистки детали от смазки и загрязнений.
256
В большинстве случаев для измерения износа можно применять те же универсальные и специальные средства, которые используются для контроля точности данной поверхности при ее изготовлении. Например, многомерное приспособление для контроля размеров поршней двигателя внутреннего сгорания может быть использовано и для измерения параметров изношенного поршня. При небольших размерах детали и возможности ее демонтажа измерение износа можно производить при помощи инструментального или универсального микроскопов, оптиметра, проектора, измерительной машины и других приборов. При больших размерах детали и необходимости измерения ее износа без разборки машины часто разрабатывают специальные приспособления с применением универсальных измерительных приборов.
Метод микрометрирования относится к традиционным методам измерения размеров и не учитывает специфику износа. Недостатками данного метода являются невозможность осуществления измерения износа в процессе работы машины, необходимость, как правило, частичной разборки узла или демонтажа измеряемой детали, громоздкость приспособлений при измерении непосредственно на машине.
Существенным недостатком метода является также то, что при отсутствии измерительной базы нельзя оценить величину износа, а в ряде случаев и форму изношенной поверхности. Например, при измерении износа шейки вала (рис. 79, а), если имеется база для измерения (неизношенный поясок 1 или центра вала 2),
Рис. 79. Измерение износа методом микрометрирования:
а — шейки вала; б — направляющих скольжения; а — методом профилографирования при наличии неизношенного участка; г — наложением профилограммы
9 Проников А. С.	257
то можно определить значения износа во всех точках поверхности 3 или его экстремальные значения (7тах и (7т1п. Если же такая база отсутствует, то можно измерить лишь диаметр изношенной поверхности в разных сечениях и оценить среднее значение износа по отношению к номинальному размеру шейки или определить искажение формы поверхности. Максимальное значение износа определить в данном случае нельзя.
Аналогичная картина имеет место и при измерении износа плоскостей, например, направляющих скольжения (рис. 79, б). Если имеются неизношенные участки поверхности аг и а2, то они могут быть использованы как измерительные базы, и определена величина износа в каждой точке поверхности, т. е. эпюра износа. Если же изнашивается вся поверхность, то теряется информация о ее начальном положении. Применение специальных измерительных баз, например точной линейки 4, по которой перемещается мостик 5 с индикаторным прибором, не решит полностью задачи измерения износа. При измерении этим способом расстояния h не будет учитываться начальное положение поверхности трения и поэтому возможно определить лишь разницу в износе ее отдельных участков. Следует иметь в виду, что при измерении износа методом, микрометрирования деформация детали будет искажать полученные при измерении результаты.
В ряде случаев при малых значениях износа применяют профилографирование, когда об износе судят по профилограмме, снятой с исходной и изношенной поверхностей. При этом могут быть два варианта этого метода. Первый (рис. 79, в), когда на детали или образце имеется неизношенный участок. При снятии для этих двух участков профилограммы по «уступу» можно судить о величине износа, а также оценить изменение шероховатости поверхности. При незначительных износах, когда изнашиваются лишь выступы микронеровностей, применяют способ наложения профилограмм при снятии их с одного и того же участка до и после износа (рис. 79, г). Для точного совмещения профилограмм на поверхности наносят контрольную риску 1. При этом можно судить не только о средней величине износа, но и о росте опорной поверхности. На точность измерения влияют погрешности касания и повторной установки измерительного наконечника относительно исследуемой поверхности, а также погрешность совмещения профилограмм.
Поиск иных способов определения линейного износа поверхностей деталей машин привел к созданию таких методов и приборов, в которых базой для измерения служит сама изнашивающаяся поверхность.
4.	Метод искусственных баз. Метод искусственных баз заключается в том, что на изнашивающейся поверхности наносят углубление строго определенной формы в виде конуса, пирамиды и т. п. и по уменьшению размеров углубления (отпечатка) судят 258
a)
Рис. 80. Измерение износа методом искусственных баз: а — метод отпечатков; б-^ метод лунок; в — метод слепков
о величине износа. Он предназначен для определения местного линейного износа поверхности в тех местах, где нанесены базы, поэтому возможна оценка формы изношенной поверхности, Находят применение различные варианты этого метода.
При методе отпечатков (рис. 80, а) для образования углубления применяют алмазную четырехгранную пирамиду с квадратным основанием и углом при вершине между противолежащими гранями в 136°. Такая пирамида применяется в приборах для определения твердости типа ПМТ-3 и Виккерс. Пирамида вдавливается под нагрузкой в испытуемую поверхность и измеряется диагональ отпечатка.После износа размер отпечатка уменьшается (di) и по разности (d0— dj судят о величине износа U = h0 — — Отпечаток диагонали измеряют при помощи оптического измерительного устройства через микроскоп.
Такой метод имеет ряд недостатков. Во-первых, при вдавливании пирамиды вокруг отпечатка происходит вспучивание материала, в результате чего искажается форма отпечатка. Во-вторых, после снятия нагрузки происходит некоторое восстановление углубления, оно изменяет свою начальную форму.
Если вспучивание можно удалить полированием, то упругого восстановления отпечатка избежать нельзя, и это вносит свои погрешности при измерении износа.
Этот метод неудобен также и тем, что размеры отпечатка малы и для нанесения отпечатка требуются большие усилия.
Широкое распространение получил предложенный М. М. Хрущевым и Е, С. Берковичем метод вырезанных лунок [217], заключающийся в том, что на исследуемой поверхности вращающимся резцом вырезается лунка (рис. 80, б), по уменьшению ее размеров при износе судят о величине местного износа.
9*	259
Рис. 81. Схема износомера П-3
Глубина лунки h связана с ее длиной / зависимостью ^=4(4-1). оз, где г — радиус, описываемый вершиной резца; R — радиус цилиндрической поверхности, на которой наносится лунка («—» — для вогнутой поверхности, «+»—для выпуклой, R — оо для плоскости)» Метод лунок имеет ряд существенных преимуществ перед методом отпечатков. Во-первых, здесь вдавливание заменено резанием и явления вспучивания и упругого восстановления сведены к минимуму.
Во-вторых, имеется выгодное соотношение между длиной лунки
и ее глубиной» Так, при г — 8,5 мм длина лунки I ~ 2,Ь мм при ее глубине h = 100 мкм. Поэтому уменьшение длины лунки легко измерить даже при незначительном износе. В-третьих, усилия, необходимые для вырезания лунки, невелики, что позволяет создать малогабаритные приборы.
Точность метода лунок находится в пределах ± (1*5-2) мкм, а в отдельных случаях может достигать ±0,5 мкм.
Для измерения износа методом вырезанных лунок разработан специальный стандарт (ГОСТ 17534—72).
На базе метода лунок создан ряд приборов для измерения износа плоских, цилиндрических наружных и внутренних и фасонных поверхностей деталей в производственных и лабораторных условиях.
В качестве примера на рис. 81 приведена схема износомера П-3 конструкции автора, предназначенного для нанесения и измерения лунок на плоских и выпуклых поверхностях.
При помощи стойки / корпус прибора 2 крепится к поверхности. При вращении гайки 3 с дифференциальной резьбой внутренняя гильза 6, несущая резцедержавку, перемещается поступательно и при вращении рукоятки 7 резца 8 вырезает лунку. Благодаря тому, что микроскоп 4 с винтовым окуляр-микроме-тром 5 и резцедержавка объединены в одном узле, а резец помещен в коленчатом валике, обеспечивается возможность наблюдения за вырезанием лунок и доведения их до требуемого размера по делениям окуляра. В работах U21, 146, 2171 описаны применяемые приборы, результаты исследований й возможности данного метода. 260
При затруднении измерении износа непосредственно на детали применяют метои негативных оттисков (рис. 80, в). С поверхности, в том месте, где нанесено углубление (обычно отпечаток, или специальная риска), снимают слепок при помощи самотвердеющей массы (например, стиракрила) или оттиск на пластичном металле или пластмассе. Высоту отпечатка измеряют обычными средствами и сравнивают с размером, снятым при вторичном оттиске изношенной поверхности.
Метод искусственных баз может быть использован для измерения износа только тех деталей, на поверхности которых допускается нанесение углублений.
5.	Метод поверхностной активации. Оценка величины износа методом поверхностной активации основана на измерении снижения радиоактивности при изнашивании исследуемой детали, в которой на заданном участке создан радиоактивный объем глубиной 0,05—0,4 мм путем облучения участка заряженными частицами (дейтронами, протонами, альфа-частицами).
Величина износа детали определяется по тарировочному графику путем сопоставления снижения радиоактивности детали со снижением радиоактивности образцов, активизированных в одинаковых условиях с деталью. Тарировочный график строится при моделировании износа на образцах, которое заключается в измерении радиоактивности образца, с которого последовательно удаляют (сошлифовывают) слои материала с измеренной точным прибором величиной слоя.
Метод поверхностной активации предназначен для контроля износа деталей при стендовых и эксплуатационных испытаниях без разборки и остановки машины. Использование метода позволяет измерять малые износы, что сокращает время износных испытаний, исследовать динамику износа, автоматизировать контроль износа, измерять износ дистанционно. Небольшой уровень радиоактивности деталей (порядка 10 мкКи) не требует радиационной защиты. Большие работы по развитию и внедрению данного метода проведены в МВТУ под руководством проф. В. И. Постникова [16, 144].
Перед началом исследований выбранный для измерения износа участок детали активируется в течение 20—40 мин обычно дейтронами с энергией 14 МэВ и силой тока 1 мкА/с на специальном ускорителе (циклотроне) до активности’10 мкКи. Толщина активированного слоя, зависящая от энергии дейтронов и ряда других факторов, устанавливается исследователем, который оценивает возможную величину износа поверхности при эксплуатации изделия. При активации деталей из низколегчрованных сталей дейтронами активируется стабильный изотоп Fe56 и образуются три основных радиоактивных изотопа (индикатора), соотношение которых определяется выходом ядерной реакции.
Определение радиоактивности основано на измерении гамма-излучения различными методами [161. Например, принцип дей-
261
ствия сцинтилляционного счетчика состоит в том, что гамма-излучение вызывает в слое люминесцирующего вещества (кристалле йодистого натрия) световые вспышки (сцинтилляции), которые преобразуются с помощью фотоэлектронного умножителя в электрические импульсы, регистрируемые измерительным (пересчет-ным) прибором, Путем измерения среднего числа импульсов в единицу времени (скорости счета) определяется радиоактивность исследуемого источника излучения.
Измерение износа производится после относительной стабилизации радиоизотопного состава (через 10 дней), когда в результате распада короткоживущих изотопов суммарная активность определяется активностью изотопов с большим периодом полураспада, Например, период полураспада радиоактивных индикаторов составляет Мп54«— Т = 7000 ч, Со57 — Т ~ 6500 ч, Со66 — Т = = 1850 ч.
При измерении радиоактивности в полученные результаты вносится ряд поправок, связанных с наличием радиоактивного космического фона и с естественным распадом радиоактивных изотопов. Поправка на фон берется как разность скорости счета при измерении радиоактивности детали и скорости счета от космического фона. Поправка на распад берется по номограмме, по которой вычисляется коэффициент распада.
' При определении линейного износа детали по тарировочному графику вводится поправка на угол падения дейтронов при активации (если угол падения отличается от 90°) и поправка на профиль (при измерении износа криволинейных поверхностей).
При измерении износа крупногабаритных деталей находят применение специальные вставки, которые проходят поверхностную активацию, а затем устанавливаются на изнашивающуюся поверхность. Материал вставок может отличаться от основного, так как износ рабочей поверхности и вставки происходитводновре-менно, Применение вставок из специальных сплавов, например кобальта и меди, позволяет довести общую продолжительность действия радиоактивности, достаточной для точного измерения износа в пределах 2—2,5 лет, что важно при натурных испытаниях.
Схемы для измерения износа методом поверхностной активации и используемая аппаратура основаны либо на регистрации суммарного количества импульсов от источника излучения (сцинтилляционный счетчик), либо определяется количество импульсов данной амплитуды в единицу времени (газорязрядный счетчик Гейгера-Мюллера) [17оТ.
На рис. 82 показана одна из схем измерения износа методом поверхностной активации. На вращающейся детали 1 имеется активированная зона или установлена вставка 2. Радиоактивные излучения могут регистрироваться через корпус 3 сцинтилляционным счетчиком 4, Измерение можно осуществлять при фиксированной установке детали или при ее вращении. В аппаратуру для 262
Рис. 82. Схема измерения износа методом поверхностной активации
измерения входят высоковольтный стабилизированный выпрямитель 5 для питания счетчика, интегральный или амплитудный дифференциальный дискриминатор 6, пересчетный прибор 7 и регистрирующее устройство 8. Неоспоримым преимуществом метода поверхностной активации, несмотря на определенную сложность аппаратуры, является возможность получения бы-
строй и достоверной информации о ходе процесса изнашивания и влиянии на износ режимов работы, смазки и других факторов.
5.	Выбор износостойких материалов
1.	Требования, предъявляемые к материалам пар трения. Выбор износостойких материалов является весьма сложной задачей, так как износостойкость зависит не только от свойств сопряженных материалов, но и от условий работы данного сопряжения. Данная пара материалов может в одних условиях быть износостойкой, а в других нет. Выбор материалов связан с видом износа. В первую очередь материалы должны гарантировать, что при заданных условиях трения на поверхности трения не возникнут недопустимые виды изнашивания, например молекулярное схватывание, которое приводит к задирам. Для допустимых форм износа материалы должны обеспечивать минимальную скорость изнашивания при данных условиях работы.
При выборе материалов для пар трения помимо их высокой износостойкости к ним предъявляется и ряд требований, которые вкладываются в понятие антифрикционности материала.
К таким требованиям в первую очередь относятся: легкая прирабатываемость, высокая износостойкость при нормальных условиях работы, низкий коэффициент трения при нормальных условиях работы, малоизменяющийся в зависимости от скорости скольжения и времени неподвижного контакта, плавность медленных перемещений, низкий коэффициент трения и отсутствие молекулярного схватывания в условиях несовершенной смазки и при перерывах в смазке, достаточная жесткость стыка.
В ряде случаев от материалов требуется также их высокая теплопроводность, низкий коэффициент теплового расширения, хорошая смачиваемость маслом.
263
Для пластмасс необходимо также обеспечивать стойкость материала при повышении температуры, стойкость к действию слабых кислот и щелочей, низкое водо- и влагопоглощение, отсутствие холодотекучести [10].
Кроме того, материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами. Для фрикционных материалов, т. е. тех, которые используются в тормозных устройствах, в фрикционных передачах и других парах, где требуется высокое значение коэффициента трения, особую роль, помимо износостойкости, играет теплостойкость, а в ряде случаев и огнебезопасность, а также стабильность коэффициента трения, коррозионная стойкость и теплопроводность материалов.
Необходимо иметь в виду, что реализация тех или иных свойств материалов зависит также и от конструкции и размеров пары трения (масштабный эффект), однако основой являются характеристики применяемых материалов.
2.	Принципы выбора износостойких материалов. Если известны законы изнашивания, то выбор материалов заключается в анализе влияния различных факторов на скорость изнашивания и регламентации физических параметров для получения требуемой износостойкости.
Однако в настоящее время еще мало зависимостей, устанавливающих непосредственную связь между скоростью изнашивания и свойствами материала. Поэтому для решения практических задач используются результаты специальных исследований износостойкости различных материалов и пар трения [68, 143, 165, 173, 241]. Кроме того, на практике получили распространение различные правила и рекомендации, обеспечивающие для определенных материалов и условий работы хорошие показатели износостойкости или гарантирующие, что недопустимые формы износа не возникнут.
Так, при трении однородных материалов в условиях несовершенной смазки для предотвращения молекулярного схватывания необходимо, чтобы их твердость отличалась не меньше, чем на 10 единиц по Бринеллю.
Для антифрикционных подшипниковых сплавов широко известно правило Шарли, которое заключается в том, что сплавы должны иметь структуру, состоящую из твердых включений в пластичной массе (типичным представителем таких сплавов являются баббиты). При определенных условиях это обеспечивает хорошую прирабатываемость материала к форме сопряженного вала и высокую несущую способность.
Большое значение для получения износостойкости имеет образование на поверхности защитных окисных пленок, пленок перенесенного мягкого металла из структурных составляющих [143], а также нанесение на поверхность твердого материала специальных легкоплавких покрытий менее прочных, чем основной материал, 264
Принцип разделения материалов' трущейся пары вторичными структурами или специальными прослойками — один из основных при создании износостойких материалов.
Одним из принципов выбора износостойких материалов является также правило положительного градиента механических свойств материала по глубине, предложенное проф. И. В. Кра-гельским (см. гл. 5, п. 1).
На трение и износ полимерных материалов сильно влияют такие факторы, как температурные условия на поверхности трения, адгезионное взаимодействие контактирующих поверхностей, специфические виды смазки и др. [200].
Структура полимерных материалов и поведение тонких поверхностных слоев, в которых уже при формировании происходит ограничение подвижности молекулярных цепей и разрыхление упаковки макромолекул, оказывает решающее влияние на фрикционные свойства и износостойкость этих пар трения.
Структура поверхности значительно усложняется при применении наполненных полимеров, когда в тончайших слоях происходит существенное изменение надмолекулярных структур, что приводит обычно к повышению износостойкости. Для полимерных материалов характерно также нахождение на поверхности адсорбционных слоев различных веществ, которые оказывают заметное, пока еще малоизученное влияние на процесс трения и износа.
Выбор износостойких материалов нельзя рассматривать в отрыве от смазки поверхностей. Чем надежнее смазка смачивает поверхность трения, тем большую роль в обеспечении износостойкости играют ее свойства (см. гл. 5, п.З). Поэтому применяются специальные методы нанесения рельефа на поверхность трения и специальные структуры материалов, способные удерживать и сохранять смазку. Один из методов обеспечения этих качеств —• применение пористых спеченных материалов методами порошковой металлургии. В узлах трения, выполненных из пористых материалов, обеспечивается самосмазывание за счет капилляров, образовавшихся между спекшимися частицами [121 ].
3.	Структурная приспособляемость материалов. При оценке возможностей материала обеспечить необходимые антифрикционные и фрикционные свойства при высокой износостойкости следует в едином комплексе рассматривать все основные процессы, происходящие в зоне контакта поверхностей. С этих позиций интересен методический подход проф. Б. И- Костецкого и его сотрудников, которые рассматривают явление так называемой структурной приспособляемости материалов при трении, считая его универсальным и характерным для всех видов изнашивания [128, 141 ]. Это явление связано с закономерным изменением структуры и свойств поверхностных слоев в энергетически выгодном для данных условий направлении, что приводит к устойчивому динамическому состоянию износостойкости и антифрикционности (или фрикционности) материала.
265
При этом перестройка исходных структур поверхностных слоев происходит при соблюдении следующих энергетических соотношений:
j  A£J-V)-	(14)
V
—> max,	(15)
где — изменение поглощенной энергии; V — активированный объем; А — работа сил трения; V — износ.
Блок-схема процессов, обусловливающих структурную приспособляемость, показана на рис. 83. Источником происходящих в поверхностном слое изменений является упругопластическая деформация, возникающая при трении, что приводит к структурнотермической активации и к образованию вторичных структур. Вторичные структуры относятся либо к твердым растворам, либо к химическим соединениям. При установившихся условиях трения площадь, занимаемая защитными пленками, постоянна. Одновременно с образованием вторичных структур происходит измельчение структуры и ее ориентация, в результате чего образуется субмикрорельеф, обеспечивающий оптимальную топографию поверхности.
Протекание этих процессов характеризуется динамическим равновесием в результате их саморегулирования, когда происходит стабилизация энергетических потоков, сил трения, процессов образования и разрушения защитных пленок вторичных
Рис. 83. Схема процессов, обусловливающих структурную приспособляемость материалов при трении
266
структур, процессов формирования микрорельефа поверхности трения. В результате этих явлений происходит стабилизация скорости изнашивания.
Таким образом, саморегулирование состоит в свойстве термодинамической системы трения поддерживать сколь угодно долго стационарность всех термодинамических и структурных параметров.
Энергетические соотношения (14) и (15) показывают, что для данного сочетания параметров трения существует область механических воздействий, в которой соотношение запасенной энергии к работе сил трения имеет минимальное значение, что приводит к возможности рационального соотношения между износом и работой сил трения.
Все это приводит к возникновению такого состояния поверхностных слоев, когда обеспечивается высокая износостойкость и необходимые антифрикционные (или фрикционные) показатели. Следует отметить, что на схеме (рис. 83) процессы, обусловливающие структурную приспособляемость, выделены в блоки условно. Из-за дискретности контакта и неоднородности эпюры напряжений на поверхности трения все фазы указанных процессов протекают, как правило, одновременно.
4.	Типовые сочетания материалов для пар трения. Выбор сопряженных материалов для заданных условий работы является сложной задачей и базируется на анализе указанных выше процессов, происходящих в поверхностных слоях трущихся поверхностей. Однако опыт эксплуатации различных машин позволяет выделить группы типовых сочетаний материалов для различных пар трения. Ниже кратко перечислены основные из них.
Сталь — антифрикционный цветной сплав. Сочетание термообработанной, например, цементированной и закаленной стали в паре с бронзами на основе олова, цинка, алюминия, свинца, а также с баббитами широко применяется для подшипников скольжения различных типов, червячных пар, сопряжений ходовой винт—гайка и других ответственных сопряжений.
Сочетания из стали и антифрикционного чугуна — закаленная сталь — антифрикционный чугун, сталь по стали, чугун по чугуну часто применяется при сравнительно невысоких скоростях скольжения для таких пар трения как направляющие скольжения станков, пары трения гидросистем, гильзы цилиндра—поршневые кольца двигателей, зубчатые и цепные передачи, диски фрикционных муфт и тормозов, подшипники и направляющие качения.
Металл — полимерный материал. Такое сочетание (обычно в паре со сталью или чугуном) применяется для зубчатых и червячных передач, подшипников и направляющих скольжения, винтовых передач. При выборе полимерных материалов необходимо, используя их положительные свойства (лучшее восприятие ударной нагрузки, технологичность, коррозионную стойкость, широкие возможности регулировать их характеристики и др.),
267
учитывать также их низкую, как правило, жесткость, реологические свойства, малую теплопроводность и др.
В настоящее время пары трения с полимерными материалами чаще применяются для менее ответственных, в смысле точности передачи движения, механизмов, при средних нагрузках и в условиях специальных воздействий, например в агрессивных средах (в этом случае в паре с другим полимером). В общем виде трудно говорить об области применения рассмотренного сочетания материалов, поскольку полимеры дают широкие возможности по получению самых разнообразных свойств для материалов, изготовленных на их основе.
Специальная сталь — абразивная среда. Специальные хромистые, марганцовистые и другие высокопрочные стали применяются для деталей, работающих в контакте с почвой, породой, потоком газа или жидкости, таких как лемехи плугов, звенья гусениц тракторов, зубья ковшей экскаваторов, лопатки турбин.
Сталь или чугун — фрикционный сплав. Для тормозных и других устройств, где требуется обеспечение значительного трения на сопряженных поверхностях, применяется сочетание специальных чугунов или сталей с металлическими, асбокаучуко-выми, асбосмоляными и металлокерамическими фрикционными материалами. Применяется также сочетание сталь—серый чугун, например, при работе железнодорожных тормозных колодок. От этих материалов требуется в первую очередь высокая теплостойкость, так как при торможении температуры могут достигать 1000° С и выше.
Сталь — самосмазывающийся материал. Это сочетание применяется для сопряжений типа подшипников скольжения, шарниров и др. с ограниченной внешней смазкой и при относительно небольших скоростях скольжения, когда материал должен обеспечивать подачу смазки (жидкой или твердой) за счет своей структуры. Такими материалами могут являться пористые спеченные псевдосплавы, включающие медь, свинец, графит, а также различные типы пластмасс и металлопластмасс. Применяются также различного рода покрытия (в том числе биметаллические и полимерные) в сочетании со специальным рельефом поверхности.
Существует мнение, что для ответственных пар трения антифрикционные свойства должны создаваться, как правило, за счет специальных покрытий, характеристики которых значительно отличаются от показателей основного материала. Например, введение в поверхностный слой сернистых соединений значительно повышает износостойкость, а даже незначительные добавки серебра, золота и некоторых других благородных металлов дают гарантию невозникновения задиров.
Вопросу выбора оптимального сочетания трущихся материалов, в том числе для особых условий работы (высокие температуры, нагрузки, вакуум или специальные среды) посвящена специальная литература [198, 199, 244 k 268
5.	Классы износостойкости. При расчетах надежности изделий необходимо оценить скорость процесса повреждения и в первую очередь скорость изнашивания основных сопряжений. Большую роль в этом должно играть применение классов износостойкости, на которые целесообразно разбить весь диапазон возможных скоростей изнашивания.
Назначение классов износостойкости при проектировании машин, наряду с классами точности и шероховатости поверхности, а также контроль износа и определение действительного класса износостойкости в условиях эксплуатации позволит правильно оценить надежность машины и применяемые мероприятия для ее повышения.
В настоящее время предпринимаются первые попытки создать классификацию материалов по скорости или интенсивности их изнашивания. Так, в работе [212] приведены классы износостойкости в зависимости от интенсивности изнашивания /, которая является безразмерной величиной.
Предлагается применять десять классов, которые охватывают основной диапазон встречающихся в машинах случаев (табл. 20).
Для расчета и прогнозирования надежности необходимо знать скорость протекания процесса, т. е. в данном случае скорость изнашивания у.
Скорость и интенсивность изнашивания связаны через скорость относительного скольжения соотношением (9).
Таблица 20
Классы износостойкости материалов по интенсивности изнашивания
Класс	Интенсивность изнашивания /	Вид фрикционного контакта	Примеры	
			Сопряжения	|	| Материалы
0 1 2	> 10"J3 10"11 > / > Ю-12 io-10 > i > io-»	Упругий	Поршневые кольца, калибры	Чугун—чугун, твердый сплав—сталь
3 4 		10”® > / > Ю"10 IO"8 > / > 10"e	Упругопластический	Направляющие станка, протектор автошин	Чугун—чугун, резина — асфальт
5 6 7	10-7 > / > IO"8 10"® > j > 10"7 IO"6 > / > 10-®	Пластический	Диски и колодки тормозов	Пластмасса-чугун
8 9	10"4 > / > IO"5 IO'3 > / > IO"4	Микрорезание	Лемеха, зуб ковша экскаватора	Сталь—грунт
269
Необходимо учитывать, что эта формула верна лишь при постоянном контакте поверхностей. Если этого нет, то необходимо определить ту часть пути трения, на которой данный участок поверхности находился в контакте. Кроме того, надо учитывать, что сопряжения машин, как правило, работают при разных (даже применительно к данной паре) скоростях относительного скольжения.
Часто при оценке надежности машины необходимо определить, к какому классу износостойкости относятся отдельные ее сопряжения при учете всех условий эксплуатации. В этом случае удобнее иметь классификацию, построенную на основе градации скорости изнашивания у (мкм/ч) по классам износостойкости.
В качестве основы классификации можно предложить такую градацию скоростей изнашивания, в которой износ за фиксированную продолжительность работы пары, принятую равной Т = — 100 ч, соизмерим с высотой неровностей этой поверхности (по характеристике Ra или принадлежности к данному классу шероховатости). Будем считать, что принадлежность к данному классу износостойкости означает, что износ за 100 ч работы равен наименьшему значению Ra (мкм), характерному для обработанной поверхности. Данная классификация приведена в табл. 21. Значения Ra для каждого класса составляют геометрическую прогрессию со знаменателем <р = 2. Поэтому и скорости изнашивания построены по этому же закону и дают более тонкую градацию, чем классы интенсивности изнашивания (см. табл. 20), где ср = = 10. Износ на величину Ra означает полное исчезновение технологического и образование эксплуатационного микрорельефа, поэтому при назначении класса шероховатости исходной поверхности можно регулировать длительность периода микроприработки по отношению к фиксированному значению Т = 100 ч.
Таблица 21
Классы износостойкое?и ма1ериалсш по скорости изнашивания
Класс	Класс шероховатости	Ra, мкм, ГОСТ 2789—73	< min v	100 ’ мкм/ч	Примеры
0	14-й	<0,01	<5«10'5	1 Калибры, гидрорас-
1	13-й	0,02—0,01	<10'4	J пределители
2 3	12-й 11-й	0,04—0,02 0,08—0,04	<2-10~4 <4.10-4	| Зубчатые передачи
4	10-й	0,16-0,08	<8.10'4	1 Направляющие стан-
5	9-и	0,32—0,16	С1,6-10"8	/ ков, ходовые винты
6 7	8-й 7-й	0,63—0,32 1,25—0,63	<3,2-10“3 < 6,4-10-3	} Фрикционные муфты
8	6-й	2,5—1,25	<1,25. IO’2	| Лемеха
9	5-й	>1,25	>1,25.10-2	J Авиатормоза
270
Например, надо определить, к какому классу износостойкости относится сопряжение вал—подшипник скольжения (d = 50 мм; п = 100 об/мин), если за Т = 5000 ч работы суммарный износ в среднем составляет 0,01 мм.
Скорость изнашивания будет составлять у == 5^0 = 2- Ю"3
V 2«10“3
мкм/ч, а интенсивность изнашивания / = -£- = Q. = 2,1.10'10, где v — ftdn = зт‘50* 100 = 1,57-104 мм/мин = 9,5-108 мкм/ч.
Следовательно, сопряжение относится к 6-му классу по скорости изнашивания (см. табл. 21) и 3-му классу по интенсивности (см. табл. 20).
Оценка скорости изнашивания для различных сопряжений и сочетаний материалов и накопление данных для типовых условий эксплуатации является предпосылкой для расчета и прогнозирования надежности машин с учетом их износа.
ГЛАВА 6
ИЗНОС СОПРЯЖЕНИЙ
1. Классификация сопряжений по условиям изнашивания
1.	Два направления в изучении износа деталей машин. Наука об изнашивании материалов, как правило, изучает те явления, которые происходят на данном участке поверхности трения, т, е. рассматривает микрокартину явлений. Так 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 для распределения давлений и линейного износа по поверхности трения, а также определить изменение взаимного положения сопряженных деталейу которое произошло в результате их изнашивания.
Такой подход вообще характерен для инженерных методов расчета (см. гл. 2, п.1), когда осуществляется переход от изучения физических процессов на микроучастках материала к их распространению на всю поверхность иЛи объем детали.
Так, в основе расчетов деталей машин на прочность и деформацию лежит закон Гука. Однако его применение для расчета различных деталей и систем с разнообразными видами нагружений потребовало создания специальных методов, которые составляют содержание таких наук, как сопротивление материалов и теория упругости. Аналогичная картина имеет место и при расчетах на износ сопряженных поверхностей деталей машин с той разницей, что вместо простейшего закона Гука в качестве исходной физической закономерности должен быть принят закон изнашивания, который связывает износ с рядом параметров, включает фактор времени и относится к материалам двух сопряженных поверхностей. Теория изнашивания сопряженных деталей машин, которая в настоящее время находится на первом этапе своего развития, должна дать методы расчета и оценки износа всех основных типов сопряжений при различных условиях их работы.
2.	Износ поверхностей и износ сопряжений. Условие касания поверхностей. Основной характеристикой износа детали является линейный износ 7/, который измеряется в направлении, перпендикулярном поверхности трения. Вследствие ряда причин (различные значения удельных давлений и скоростей относительного скольжения на поверхности трения, неодинаковое попадание абразивов и т. д.) износ детали может быть неравномерным.
272
Поэтому для полной характеристики величины износа детали необходимо знать его распределение по поверхности трения U {х\ у), т. е. форму изношенной поверхности.
В результате износа сопряженных деталей происходит изменение их относительного положения, которое будем называть износом сопряжения.
Износ сопряжения является той геометрической характеристикой, которая непосредственно связана с потерей машиной или механизмом их начальных служебных свойств. Он является выходным параметром сопряжения. Чтобы определить параметры, которыми можно характеризовать износ сопряжений, рассмотрим, к какому изменению взаимного положения сопряженных деталей может привести изнашивание их поверхностей. При этом большое значение имеют конструктивные и кинематические особенности данной пары, так как они определяют характер и направление возможного перемещения (сближения) деталей при износе.
На рис. 84 приведены примеры определения износа сопряжений для типичных случаев. При износе поверхностей вращения деталей относительно некоторой оси при наличии неизнашиваю-щихся (или малоизнашивающихся) направляющих, заранее известно направление (х—х) возможного сближения поверхностей (рис.’ 84, а и рис. 87).
Здесь износ сопряжения характеризуется одним параметром — величиной относительного сближения изношенных деталей 1—2 в направлении х—х.
Так как сближение деталей возможно только в направлении х—х, сумма износов деталей, измеренная в направлении возможного сближения, должна быть постоянной и равняться износу всего сопряжения:
Uxl +	= ^1-2 = const.
Назовем это соотношение условием касания тел; условие касания определяет характерную особенность протекания износа сопряжения — при любой форме изношенных поверхностей деталей наблюдается полный контакт сопряженных поверхностей. Поскольку поверхность контакта а'Ь' и а"Ь" — общая для двух тел, можно построить так называемую область взаимного внедрения, которая характеризует объем изношенного материала каждого из сопряженных тел. Область взаимного внедрения — это эпюра износа, которая очерчена кривыми ab неизношенной поверхности при совмещении а'Ь' с а"Ь" (см. рис. 84, а, внизу). При учете условия касания для любой точки поверхности будет соблюдаться равенство
где^х и U2 — линейный износ деталей в данной точке, измеренный в направлении нормали п—п к поверхности трения; а — угол
273
между нормалью к поверхности трения и направлением возможного сближения деталей; 7^2 — скорость изнашивания сопряжения; Vi и 72 — скорости изнашивания деталей в данной точке.
3.	Износ сопряжений при самоустановке деталей. Другими соотношениями характеризуется износ тех сопряжений, у которых направление взаимного сближения не задано, и относительное положение деталей определяется характером действующих сил и формой изношенной поверхности, т. е. происходит их ^самоустановка.
в)
Рис. 84. Износ сопряжений:
а — тел вращения; б — подшипника скольжения и вала; в -*• на» правляющих скольжения
274
Типичным примером такого сопряжения является вал — подшипник скольжения (рис. 84, б). При износе этих деталей вал изменяет свое положение в подшипнике, опускаясь и поворачиваясь. Поэтому новое положение вала, характеризующее износ сопряжения, может быть задано двумя параметрами: перемещением какой-либо точки оси вала и углом поворота оси или двумя линейными параметрами U{_2 и U'{-2 определяющими износ данного сопряжения. Координаты точек оси вала, к которым относятся эти значения, могут быть выбраны произвольно. Величины t/i_2 и U\-2 измеряются в направлении, перпендикулярном к начальному положению оси вращения, без учета малого угла поворота оси при износе сопряжения.
Для определения соотношения между параметрами, характеризующими износ сопряжения (U{_2 и ^1-2) и износ деталей (I7i и U2) в точке с координатой /, рассмотрим область взаимного внедрения для данного случая (рис. 84, б).
Эта область представляет собой трапецию, так как крайние участки очерчены прямолинейной (неизношенной) общей образующей вала и подшипника в положении их взаимного внедрения. Йз геометрических соотношений находим зависимость
= £Л_2 (1-----L) +	(2)
\	‘0 /	*0
где /0 — расстояние между параметрами U{_2 и i/J_2, определяющими износ сопряжения.
t Более сложный случай износа сопряжения имеет место, когда оба параметра (/{_2 и U'{_2 являются функцией относительного положения деталей L.
Так, при износе направляющих прямолинейного движения (рис. 84, в) для каждого положения соблюдается отношение (2). Но поскольку область взаимного внедрения изменяет свои размеры и форму в зависимости от положения сопряженных деталей, то износ сопряжения в данном участке будет характеризоваться двумя кривыми U{_2 (L) и (/'{-г (L), которые отнесены к двум (например, крайним) точкам перемещающейся каретки. Эти две кривые определяют положение каретки по отношению к направляющим, ее опускание и поворот в любом месте контакта.
Необходимо отметить, что для сопряжений типа направляющих не всегда полностью соблюдается условие касания, так как при относительном перемещении тел контакт по всей поверхности трения возможен лишь в том случае, если форма поверхности прямолинейна или является дугой окружности. При иной форме имеет место частичный контакт поверхностей, и их изнашивание происходит при очередном взаимодействии отдельных участков поверхностей трения. Такая картина наблюдается, например, при изнашивании направляющих скольжения. Однако и в этом случае понятие об износе сопряжения сохраняет силу.
,275
В приведенных примерах износ сопряжения рассматривается в одной плоскости. Для полного его определения в ряде случаев необходимо рассмотреть износ во взаимно перпендикулярных сечениях, пользуясь теми же характеристиками. При решении задач, связанных с износом сопряжений, следует использовать соотношения (1) и (2).
4.	Классификация сопряжений по условиям изнашивания. 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. На рис. 85 приведена классификация сопряжений по условиям их изнашивания. В зависимости от характера возможного сближения деталей при износе их поверхностей все сопряжения подразделяются на два типа. У сопряжений I типа имеются дополнительные неизнашивающиеся или малоизнашивающиеся направляющие, которые обеспечивают сближение деталей при износе только в заданном направлении х—х, В сопряжениях II типа происходит самоустановка изношенных деталей, а их взаимное положение зависит от формы изношенной поверхности. В таких сопряжениях износ обычно более сильно сказывается на функциональных свойствах пары.
Кроме того, в классификации все сопряжения разделены на пять групп в зависимости от постоянства условий трения и износа для расположенных на одной траектории точек сопряженных поверхностей.
У сопряжений 1-й группы точки, расположенные на одной траектории, имеют одинаковые условия изнашивания для каждого из тел. Например, при износе поверхностей вращения (дисков, конусов) все точки, расположенные на окружности данного радиуса, имеют одинаковые скорости скольжения, удельное давление и продолжительность изнашивания. Поэтому их износ будет одинаков, и для определения формы изношенной поверхности достаточно рассмотреть осевое сечение.
Если же имеются внешние факторы, которые изменяют условия изнашивания для точек, лежащих на одной траектории, то данное сопряжение не будет относиться к 1-й группе.
Ко 2-й группе относятся сопряжения, у которых сохраняются постоянными условия изнашивания для всех точек, лежащих на данной траектории, для одного тела. Поэтому только одна поверхность имеет условия для равномерного изнашивания в данном сечении. 276
Рис. 85. Классификация сопряжений по условиям их изнашивания
Например, из рассмотрения в поперечном сечении сопряжений типа вал — подшипник скольжения или барабан—тормозная колодка видно, что все точки вращающегося тела за каждый его оборот проходят через одинаковые значения усилий при любой эпюре давлений. Также, если в сопряжении I—II сила будет действовать нецентрально, то для точек неподвижной детали, расположенных на одной траектории, будут неодинаковые давления и износ этой детали будет неравномерным. В этом случае данное сопряжение будет относиться ко 2-й группе.
У сопряжений 3-й и 4-й групп условия изнашивания не сохраняются постоянными для всех точек обоих тел. Следовательно, здесь имеются большие возможности для возникновения неравномерного износа поверхностей. К 3-й группе отнесены сопряжения с низшими парами, к 4-й с высшими парами.
К сопряжениям 5-й группы относятся случаи, когда поверхность детали контактируется с твердой средой — почвой, породой, обрабатываемой деталью. В этом случае изучается износ лишь одной поверхности, которую обтекает абразивная или иная среда, от характера взаимодействия с которой (эпюры нагрузок и скоростей) будет зависеть форма изношенной поверхности.
Таким образом, все сопряжения можно подразделить на две категории: А) те, на износ которых накладывается условие каса-
Таблица 22
Примеры сопряжений различных видов
Группа (см. рис. 85)	Тип сопряжения (по возможности взаимного сближения при износе поверхностей)	
	/ (направление х—х задано)	11 (самоустановка)
1	Конические тормоза и фрикционные муфты	Диски фрикционных муфт
2	Ходовой винт—гайка, колодочные тормоза (с жестким закреплением колодки)	Вал—подшипник скольжения и колодочные тормоза (с самоустановкой колодок); круговые направляющие скольжения (эксцентричная нагрузка)
3	Поршневые	кольца—гильза цилиндра	Поступательные направляющие скольжения, кулиса— камень
4	Зубчатое зацепление, кулачок—толкатель	Колесо—рельс, подшипники и направляющие качения
5	Режущий инструмент с жесткой установкой. Зуб ковша экскаватора	Лемехи плугов, режущий инструмент с самоустановкой
278
Рис. 86. Схема износа тормозной колодки:
а — при заданном направлении возможного износа; б — при са-моустановке колодки
ния поверхностей (1 и 2 и в ряде случаев 3 группы), и В) у которых при износе условия контакта переменны.
Принадлежность сопряжения к данному типу и группе классификации определяет и методику его расчета на износ.
5.	Примеры сопряжений различных типов. В машинах встречаются сопряжения всех указанных разновидностей.
Некоторые типичные пары трения согласно рассмотренной классификации указаны в табл. 22.
Следует иметь в виду, что принадлежность к данной графе классификации определяется как конструкцией, так и характером действующих сил. Близкие по конструктивному оформлению сопряжения могут принадлежать к различным категориям. Например, для колодочного тормоза (рис. 86) при жестком закреплении колодок на рычаге сопряжение будет принадлежать к / типу, так как направление возможного сближения поверхностей при их износе определяется поворотом рычага относительно оси О2. При самоустановке колодок данное сопряжение будет относиться ко II типу сопряжений (рис. 86, б). В первом случае форма изношенной поверхности колодки будет определяться заранее известной траекторией ее движения — поворота относительно оси О2, во 2-м случае — самоустановка под действием сил трения F,, которые создают момент трения Мт. Неравномерность износа колодки UK (<р) в пределах центрального угла <р в этих случаях может быть направлена по-разному.
Анализ возможного распределения износа по поверхности трения и выявление факторов его определяющих является предпосылкой для расчета и прогнозирования износа сопряжений.
2.	Расчет сопряжений на износ с использованием условия касания
1.	Исходные положения при расчете сопряжений. Можно указать следующие основные виды расчета сопряжений на износ.
Расчет по давлениям на поверхности трения. В этом случае подсчитываются давления (средние или максимальные), действующие на поверхности трения, и полученные значения сравниваются с допускаемыми. Последние берутся, как правило, из практики, 279
и их значения соответствуют длительному сохранению работоспособности сопряжения для аналогичных условий работы. По давлениям часто рассчитываются направляющие скольжения станков,, гайки ответственных ходовых винтов, некоторые типы подшипников скольжения и другие сопряжения.
Давление — один из главных, но не единственный фактор, определяющий скорость изнашивания. Поэтому расчеты по ним дают лишь ориентировочные данные о размерах сопряжений, а в ряде случаев могут привести к неправильным выводам о способах повышения износостойкости конструкции.
Расчет величины износа и формы изношенной поверхности. Этот вид расчета позволяет выявить основные пути повышения износостойкости сопряжения и оценить его работоспособность. При расчете определяются: величина износа поверхности сопряженных деталей в каждой точке U, эпюра давлений на поверхности трения р и изменение взаимного положения в результате износа, т. е. износ сопряжения. Эти расчеты базируются на закономерностях изнашивания материалов и учитывают конфигурацию сопряжения.
Исходными данными при расчете являются, во-первых, конструктивная схема и размеры сопряжения, нагрузки и скорости скольжения на повер'хности трения и, во-вторых, закономерности процесса изнашивания.
Без знания физических законов разрушения материалов при износе нельзя ставить вопрос о расчете всего сопряжения, подобно тому, как нельзя рассчитывать балку на прочность и жесткость, не используя закон Гука и не зная модуля упругости материала. Однако знание только закона изнашивания недостаточно для расчета сопряжения. Необходимо иметь методы таких расчетов, которые учитывают специфику распространения закономерностей изнашивания на всю поверхность трения.
Особенность таких расчетов заключается прежде всего в использовании условия касания (1) или (2) в качестве дополнительного уравнения, позволяющего решать статически неопределимые задачи.
2.	Основные этапы расчета сопряжений на износ. Рассмотрим в общем виде последовательность расчета для определения параметров изношенного сопряжения (рис. 87).
Законы изнашивания, знание которых необходимо для решения поставленной задачи, должны для данных условий определить соотношение между скоростью изнашивания каждого из сопряженных материалов (ух и у2), давлением на поверхности трения р и скоростью относительного скольжения v:
y = f(P',v).	(3)
Первый этап — определение характера эпюр£>1 давлений на поверхности контакта сопряженных деталей.
280
Каждая точка поверхности с координатами (р; х) имеет свою окружную скорость v, которая зависит от расстояния до оси вращения:
v == 2лри,	(4)
где п — частота вращения в единицу времени одной детали относительно другой.
Поэтому законы изнашивания (3) можно представить в виде функциональной зависимости у от р и р:
Ti=fi(p; р);	=	р).	(5)
Распределение давления по поверхности трения (эпюру давлений) нельзя определить из условия равновесия системы, так как это статически неопределимая задача. Поэтому в качестве дополнительного уравнения надо использовать условие касайия, выраженное в аналитической форме, как зависимость между линейным износом поверхностей и износом сопряжений.
Подставляя значение и у2 из (5) в формулу (1), получим зависимость между скоростью изнашивания сопряжения и значениями р и р.
В общем виде
Т1-2 = Л(Р’> Р)«	(6)
Учитывая, что для всего сопряжения уг_2 = const, т. е. не зависит от р, из уравнения (6) можно определить характер эпюры давлений в функции р и уг_2:
р = ^2 (р; Ti-2)-	(7)
Численные значения р можно определить лишь после того, как известно
281
Интегрируя это выражение
Рис. 88. Схема износа конических поверхностей
Второй этап — определение износа сопряжения U 1_2 = Ti-2^ Внешняя сила Р связана с давлением (р), распределенным по поверхности трения S согласно зависимости
Р = j Р cos a dS,	(8)
s
или, учитывая равенство (7)
Р = J Р2 (р; Y1-2) cos a dS,	(9)
s
где интеграл берется по всей поверхности трения.
а решая полученное уравнение
относительно Vi_2, получим зависимость скорости изнашивания сопряжения от режима работы сопряжения (Р и и):
V1_2 = F3(^ п).	(10)
Зная у1_2, можно определить численные значения р по формуле (5).
Третий этап — определение формы изношенных поверхностей.
Значения Vi и у2 можно определить из уравнения (5), подставляя в него значение р из уравнения (7).
В общем виде скорости изнашивания и соответственно линейные износы поверхностей трения будут являться функцией р, геометрических параметров сопряжения, характеристик износостойкости материалов и режимов работы сопряжения. Если р в этих зависимостях не фигурирует, то это означает, что износ будет равномерно распределен по поверхности трения.
3.	Расчет на износ конических поверхностей. Рассмотрим расчет на износ сопряжений 1-й группы на примере конических поверхностей при законах изнашивания
=	y2==k2p>nVt	(И)
Эти законы в достаточно общей форме отражают зависимость износа от р и v для многих видов изнашивания.
Рассматриваемое сопряжение (рис. 88) характерно тем, что имеются неизнашивающиеся (или малоизнашивающиеся) направляющие, определяющие направление (х—х) возможного сближения сопряженных деталей. Поэтому в данном случае износ сопряжения может характеризоваться одним параметром t/i_2 — величиной относительного сближения изношенных деталей 1 и 2 в направлении х—х.
282
Определим характер эпюры давлений на поверхности трения при принятых закономерностях изнашивания (11). Начало координат поместим в вершину конуса, а ось у направим по образующей.
Скорость относительного скольжения в данной точке поверхности трения будет:
и = 2лр/г = 2лш/соза,	(12)
и закономерности (11) примут вид
Vi = cos ay;
?2 = k2pm2hn cos ay.
Применяя условие касания (1), получим
Ъ-г =	=	+ k*> 2ппРтУ>
откуда
р V 2пп (kv ч- /?2) ~
Из этой зависимости видно, что давление зависит от у, т. е. неравномерно распределено по поверхности трения и в осевом сечении имеет вид степенной гиперболы.
Для определения значения найдем зависимость между силой Р и давлением р, распределенным по поверхности трения S:
у*	У2
Р= J pcosadS = 2л j р cosapdy= 2л cos2a J pydy,	(14)
s	Ух	Ух
где г	P
У1 =------, У* =------ и р = у cos a.
cos a *	cos a	r v
Подставляя в эту формулу интегрируя и решая уравнение
значение р из уравнения (13), относительно yi_2, получим
"4" ^2
^i-2 cos a
(15)
Данная формула выражает зависимость скорости изнашивания сопряжения от заданных параметров Р, п, R, г, kY и k2. Значение ух_2 постоянно для данных условий, а износ сопряжения 6\_2 — Yi_2^ линейно изменяется во времени.
Численные значения эпюры давлений на поверхности трения можно получить, если в формулу (13) подставить значение из (15).
283
Величина линейного износа Ur и U2 в каждой точке поверхности, т. е. форма изношенной поверхности, может быть определена подстановкой значений р из (13) в законы изнашивания (11), учитывая, что	и U2 = у2Л
После преобразований получим
г г	fcicosa , тт	cosa ,
= Vl-2 -t+K tiiU^ Vi-’ "t+V	(‘ 6’
где Ti_2 — определяется по формуле (15).
Поскольку hU2ot у не зависит, износ при данных законах изнашивания равномерно распределен по поверхности трения.
Для законов изнашивания, характерных для абразивного, окислительного и некоторых других видов, имеет место линейная зависимость скорости изнашивания от давления, т. е. в законах (11) m = 1.
В этом случае все полученные формулы примут более простой вид. Эпюра давлений
п =______________L =-------р_________L.	(17)
" 2лм k2) у 2л cos a (R — г) у	' '
Износ сопряжения
Ux 2 = Т1 2< =	.	(18)
1—2 i i-2 (ft — г) cos a	.	' '
Линейный износ поверхностей
I/, = *1	*	(19)
Для оценки износа дисковых поверхностей в данные формулы следует подставить a = 0 и у = р, где р — текущий радиус.
Аналогичными методами можно рассчитывать износ шаровых и других поверхностей вращения, относящихся к 1-й группе сопряжений при различных законах изнашивания [1461.
Так, например, при износе центрально нагруженных шаровых поверхностей радиуса R окружная скорость на поверхности трения v будет зависеть от угла а между осью вращения, проходящей через центр шара, и радиусом-вектором данной точки v = 2nnR cos а. Применяя рассмотренную последовательность расчета для линейных законов изнашивания [законы (11) при m = 1 ], получим
р = 2лп k2) R ctg a*
284
Эпюра давлений подчиняется закону котангенса с наибольшими значениями р при малых углах а, т. е. ближе к оси вращения. Износ сопряжения будет
т 1	_ „ /________- 4Рп (kr + k2)________
1-2	11-2 д (sin 2a2	2a2 — sin 2cq — 2ax) *
где ar и a2 — пределы изменения угла а, определяющего размеры поверхности трения.
Таким образом, расчеты на износ позволяют определить ско-^1-2
рость изнашивания сопряжения	которая является
основной характеристикой износостойкости всего сопряжения, оценить влияние режимов работы, износостойкости материалов, размеров и схемы сопряжения на значение и указать пути его уменьшения.
Эпюра давлений на поверхности трения зависит от законов изнашивания. Если начальная эпюра давлений (в статическом состоянии или в период приработки) имела другой характер, то при изнашивании произойдет ее перераспределение в соответствии с полученными закономерностями. Поэтому эпюра давлений непосредственно не определяет процесса изнашивания поверхности сопряжений, так как сама является функцией законов изнашивания.
4. Расчет на износ пары вращающийся цилиндр—колодка. При определении износа сопряжений второй группы для полной характеристики формы изношенной поверхности необходимо рассматривать два взаимно перпендикулярных сечения. Специфика расчета этих сопряжений обусловливается тем, что только у одного тела создаются условия равномерного износа для точек, расположенных на общей траектории относительно перемещения тел.
В качестве типичного случая рассмотрим определение параметров при износе вращающегося цилиндра и колодки (рис. 89) в соответствии с законами изнашивания (11) при m = 1.
Износ в диаметральном сечении (рис. 89, а). Колодка имеет дополнительные направляющие, не допускающие ее поворота под действием сил трения. Поэтому направление возможного сближения х—х деталей при износе задано.
Следует отметить, что в рассматриваемом сечении действуют силы трения. Однако при данной конструкции момент от сил трения воспринимается направляющими и поэтому они не влияют на положение колодки, как это имело бы место в случае ее самоуста-новки (см. рис. 86). Законы изнашивания выражаем в функции нормального давления, считая, что протекание износа и возникновение  сил трения являются следствием процесса деформации и относительного перемещения поверхности. Поэтому ниже рассматривается эпюра нормальных давлений.
Учитывая, что данное сопряжение относится к 1 типу и 2-й группе классификации, будем иметь два постоянных параметра,
4	285
Рис. 89. Схема износа сопряжения вращающийся цилиндр—колодка
характеризующих его износ и не зависящих от координат поверхности трения: Yi_2 = const — износ сопряжения и = const — износ вращающегося цилиндра. Цилиндр будет иметь равномерный износ по поверхности трения вследствие условий изнашивания.
Окружная скорость на поверхности трения
v = 2 л/г/? = const.	(20)
Для определения характера эпюры давлений воспользуемся, как и ранее, формулой (1), откуда
b = Ti_2cosa- Yp	(21)
286
Но так как согласно законам изнашивания (11) при т = 1
V2 = kiPV,
то, подставляя это значение в (21), получим зависимость давления в функции угла а:
p=^w~yi--	(22)
Угол а изменяется от—а0 до +а0, а величины k2, v, и <Yi постоянны для данных условий изнашивания.
Численные значения р можно подсчитать только после определения Vi.2 и -ур Для этого найдем зависимость между силой Р и давлением р, применяя формулу (14) и учитывая, что dS = = l0Rda:
-f-a0	-f-a0
P = Rl„ f P cos a da = Rl„ f T1-2C°SCT~T‘ . cosada,
J	J	«2^
a0	— a0
где lQ — ширина колодки.
Интегрируя данное выражение и делая преобразования, получим
р =	1Т1-8 (°-5 Sin 2“» + “о)—Tl2 Sln “oL	(23)
Для отыскания зависимости между и рассмотрим износ тела /, который будет иметь место при повороте цилиндра на элементарный угол da (рис. 89, в);
dUr = krpv dt.
Время изнашивания dt на участке da меньше общего времени изнашивания t в отношении da к полному углу поворота 2л. Поэтому
Учитывая, что скорость изнашивания	и dyr =	,
получим
^i = -^r-da;	(24)
J pda-
—a0
Подставляя в эту формулу значение р из уравнения (22) и интегрируя полученное выражение, найдем зависимость для yL:
=	*	(25)
287
Из формулы (25) следует, что Yi не зависит от угла а, т. е. износ равномерно распределен по поверхности вращающегося цилиндра. Используем полученную зависимость для определения скорости изнашивания сопряжения ?i_2.
Подставляя значение ух из (25) в (23) и решая уравнение относительно у 1_ 2> получим
v _________________2л/?2Рп___________
^1-2	К ' •	ki sin а0 \ ’	*	'
/0 (0,5 sin 2ао + ао- + а J
Эта формула показывает зависимость износа сопряжения от материала (ki и k2), режима работы (Р; п) и размеров (lQ; а0) и дает возможность выбрать значение этих параметров.
Формула показывает, например, что при данных законах изнашивания Vi.2 не зависит от радиуса цилиндра R. Это объясняется тем, что с увеличением радиуса пропорционально возрастает скорость скольжения v и уменьшается среднее давление рср = = £ % , что, однако, не изменяет скорости изнашивания. Умножив в формуле (26) числитель и знаменатель на Р и обозначая через А коэффициент, зависящий от а0, kr и k2, получим
Т1_2 = ^Рсри-	(27)
Отсюда видно, что износ сопряжения связан с характеристикой pv, которой широко пользуются для расчета подшипников скольжения и колодочных тормозов.
Обычно характеристику pv связывают с температурным режимом работы сопряжения. При pv = const и постоянном коэффициенте трения будет иметь место одинаковое выделение тепла при трении сопряженных тел. Формула (27) показывает, что при данных законах изнашивания расчет по характеристике pv будет обеспечивать не только температурный режим, но сохранение скорости изнашивания при разных режимах работы.
Величина износа сопряженных тел определяется для вращающегося цилиндра по формуле (25) и для колодки — по формуле (21), откуда
rj	k-^ sin otQ
1 ^1-2
t\
л	/ Л „ k, sin ай \ ,
t/2 = T1_a(cosa- аД1 + Д
(28)
Из этих зависимостей видно, что износ цилиндра Uх равномерно распределен по поверхности трения, а износ колодки (7а зависит от угла а и при а = 0 достигает максимального значения.
Формулы (26) и (28) получены при рассмотрении износа сопряжения в диаметральном сечении. Эти зависимости применимы для определения износа всей поверхности трения, если сила Р 288
приложена центрально по длине колодки /0 или если и в осевом сечении имеются дополнительные направляющие, не допускающие поворота колодки.
Тогда износ в осевом сечении будет равномерным и определится, как это видно из формулы (26), интенсивностью нагрузки на р единицу ширины колодки -у. 10
Рассмотрим случай, когда законы изнашивания сохраняются по длине Zo, внешняя сила Р приложена нецентрально, а колодка допускает самоустановку.
Износ в осевом сечении при самоустановке колодки (рис. 89, б). Как было сказано выше, в случае самоустановки одного из тел износ сопряжения определяется двумя параметрами:	=
= У1_2^ и (71-2 = 71-2^. Зависимость между износом поверхностей трения и износом сопряжения получена из условия касания и определяется равенством (2):
Y1-2 = + ?2 = Т1~2 (1-----+ Т1-2	,	(29)
при I == О + у2 = Т1-2; при I ® /о Y1 + ?2 = Y1-2.
Параметры уi_2 и уТ—2 рассматриваем в направлении действия силы, т. е. в осевом сечении при а = 0, поэтому износ данной пары в осевом сечении связан с рассмотренным выше износом сопряжения У1_2 в диаметральном сечении.
Как следует из формулы (26), износ сопряжения Vi_2 зависит от силы -у, действующей в данном сечении. Обозначая через
*0
силу, приходящуюся на единицу длины в данном сечении с координатой I (рис. 89, а), можно написать, что
Т1-2 = "X,
где коэффициент А определяется из (26). Подставляя это значение в формулу (29) и делая преобразования, получим
Р/ = Д £ yi_2 ~ (?i-2 — Ti—2) J ♦	(30)
т. е. эпюра давлений в поперечном направлении колодки является линейной функцией I. При других законах изнашивания эпюра р не будет линейной, так как между износом сопряжения ?i_2 и силой Р появится степенная зависимость (см. гл. 6, п. 3).
При линейном характере эпюры давлений в осевом сечении легко получить зависимость между силой Р, приложенной с эксцентриситетом хр и силой Pz в данном сечении с координатой /; р'=£(1+-^—ТО-	(31)
Ю Пр они ков А. С.	289
Находя значение Pz по данной формуле, можно определить параметры изношенного сопряжения.
Износ сопряжения может быть получен при подстановке в фор-р
мулу (26) вместо у значения Pz по формуле (31):
Р (/л + 6хп/п — 12x„Z) 2лл&9
\—tu. ч •	<з2>
(°-6sin 2“» + “о- л^ + аЛ~)
При хр = О (центрально приложенная сила) получим формулу (26), Значения у{_2 и y'i-2 получим из этой формулы согласно зависимости (29) при /	0 и / =
Износ тел иг и (72 в любой точке поверхности трения можно получить по тем же формулам (28), в которых значение у^ необходимо определять по формуле (32).
Таким образом, формула (32) является общей для определения износа данного сопряжения.
Чтобы найти общую формулу для эпюры давлений как функции угла а и длины Z, т. е. р = f (а; Z), воспользуемся формулой (22), в которую подставим значение уг из формулы (25) и у^ из формулы (32). После преобразований получим
____Р ('о +	- 12хр() [(«„ft, + nk2) cos а - ft, sin a0|
P ~ Wg	(0,5 sin 2a0-|-a0) (aofti + nfta) — ft,	*	v»)
Формула позволяет аналитически определить давление в любой точке поверхности трения (рис. 89, 8). Максимальное значение давления ртах достигнет при a = 0 и Z == 0.
5. Расчет на износ пары вал—подшипник скольжения. Износ пары вал—подшипник скольжения в условиях сухого трения или граничной смазки является частным случаем рассмотренной выше задачи, когда а0 = —.
Тогда формула (33) для эпюры давлений (для хр = 0) примет вид
_ Р л cos a (0,5^4- k2) — kt
p RlQ 0,5л (0,5^i + k9) - kr *	'
Определим, при каком значении центрального угла 2a давление будет равно нулю. Приравняв числитель формулы (34) нулю, получим
“ = arccos я (0,5^ + ^ = arccos mIw ’	(35)
ki
где ф = -у-----соотношение коэффициентов износа материалов
вала и подшипника.
290
Рис. 90. Износ подшипника и вала при различных соотношениях износостойкости материалов пары
Из формулы (35) следует, что р = 0 будет при угле а < 90°, т. е. эпюра давлений располагается не на всей полуокружности вала, причем центральный угол зависит от соотношения износов материалов трущейся пары ф и не зависит от численных значений износа вала и подшипника.
Рассмотрим возможные случаи при различных значениях ф (рис. 90).
Если принять, что вал 1 не изнашивается, т. е. k± = 0 и ф — 0, то 2а == 180° и эпюра удельных давлений, как это видно из формулы (34), подчиняются зависимости
Р 2	4
Р =~rT Vcosa=^»T'cosa-	(36)
Данная формула применяется при расчете подшипников скольжения. Однако она верна лишь в частном случае, когда условно считается, что вал не изнашивается, а износ подшипника 2 под
чиняется закономерностям (И) при m = 1.
Если учесть износ вала, то ф =£ 0. Рассматривая обычную пару подшипник—вал, когда вал выполняется из более износостойкого материала (закаленная сталь), чем подшипник (бронза), замечаем, что центральный угол 2a будет, как правило, близок к 180°. Например, при ф = 0,3 по формуле (35) получим 2a = ~ 179°. В этом случае вал охватывается подшипником почти пол-
ностью, так как износ подшипника опережает износ вала.
Другую картину получим в случае обращенной пары, т. е. когда подшипник выполнен из более износостойкого материала (закаленная сталь), чем вал (на вал напрессована бронзовая втулка). В этом случае ф > 1 и угол 2a будет значительно меньше 180°. Так, например, при ф == 3 по формуле (35) получим 2a = 135°,
10*
291
Следовательно, с точки зрения контакта в обращенной паре создаются менее благоприятные условия.
Однако, с точки зрения скорости изнашивания сопряжения, как показывают расчеты, обращенные пары имеют преимущество.
3. Расчет на износ поступательных направляющих скольжения
1. Методика расчета на износ направляющих скольжения. Поступательные направляющие скольжения широко применяются в различных машинах для перемещения ползунов, столов, суппортов и других узлов, а также в кулисных, кулачковых и других механизмах. Во многих случаях, например, в металлорежущих станках, от этих пар требуется высокая точность и износостойкость.
Для направляющих поступательного движения, которые относятся к 3-й группе классификации сопряжений, характерно возникновение неравномерного износа поверхностей. Это объясняется сложным характером взаимодействия деталей пары, о чем говорилось выше.
То обстоятельство, что контакт может осуществляться не по всей поверхности трения, усложняет аналитические расчеты по определению формы изношенной поверхности. 'Однако именно искажение формы поверхности при ее износе нарушает правильность работы многих сопряжений.
Задачу расчета направляющих на изнашивание можно решить с достаточной для практики точностью, исходя из следующих предпосылок.
1.	Величина износа U пропорциональна пути трения s и величине давления р:
=	U2 — k2ps,	(37)
где и U2 — соответственно износ направляющих сопряженных тел, например станины и суппорта (ползуна).
2.	Начальная эпюра давлений при изнашивании сохраняется, т. е. ее перераспределением в результате износа поверхностей пренебрегаем.
3.	Известна кривая распределения ф (х) (рис. 91) перемещений ползуна (суппорта) по длине направляющих. Эти перемещения связаны с тем, что ползун может совершать разнообразные движения при работе машины. Ординаты данной кривой характеризуют ту долю общего пути трения, которая приходится на данное положение ползуна (тела 2).
Например, если на металлорежущем станке обрабатываются одинаковые детали и стол совершает постоянный ход, то на каждый участок направляющих приходится равная доля общего пути трения и кривая распределения будет представлять прямую, параллельную оси абсцисс. Если же на станке обрабатываются раз-292
Рис. 91. Расчетная схема для определения износа направляющих скольжения
личные детали, то кривая распределения будет отражать перемещения суппорта при обработке этих деталей и, следовательно, характер загрузки станка.
Закон относительного перемещения сопряженных деталей
и кривая распределения их ходов ф (х) определяются
назначением машины и режимом ее работы.
При определении формы изношенной поверхности направляющих станины и стола примем слудующие обозначения (см. рис. 91):
U (х) — искомая величина линейного износа направляющих станины (С/х) по длине х при 0 < х < (L + /0);
U (Z) — искомая величина линейного износа направляющих стола (суппорта) (U2) по длине I при 0 с I < Zo;
L — максимальный ход стола; Zo — длина направляющих стола; р = f (/) — уравнение эпюры давлений;
У = Ф W — кривая распределения общего пути трения (кривая условно отнесена к левой точке стола); s — путь трения, который проходит каждая точка направляющих стола за рассматриваемый промежуток времени; k — коэффициент износа, показывающий величину линейного износа (мкм) при действии давления 1 МПа на протяжении пути трения 1 км для данной пары материалов при данных условиях изнашивания; kr — коэффициент износа материала станины; k2 — коэффициент износа
материала стола.
Рассмотрим методику определения функции U (Z) и U (х), исходя из сделанных выше предпосылок. Функция U (Z) определяется просто, так как каждая точка направляющей стола изнашивается на протяжении всего пути трения s и на нее действует постоянное давление, определяемое уравнением р = f (I). Поэтому кривая износа будет подобна эпюре давлений и выражается уравнением
^(Z) = M(Z).
(38)
Однако основное значение для потери машиной точности и виброустойчивости имеет форма изношенной поверхности направляющих станины, определяемая функцией U (х). Для отыскания этой функции рассмотрим, как изнашивается участок направляющих станины с координатой х (см. рис. 91). При перемещении стола этот участок станины изнашивается под действием давлений, определяемых той частью эпюры f (I), которая при перемещении
293
суппорта проходит над участком с координатой х. Каждый элемент эпюры давлений с координатой I «изнашивает» направляющую станины на величину, пропорциональную pdl = f (I) dl. Чтобы определить элементарный износ dU, вызванный воздействием pdl, необходимо определить ту часть общего пути трения, которую проходит элемент эпюры давлений pdl при изнашивании участка направляющих с координатой х. Для этого воспользуемся кривой распределения <р (х). Так как уравнение этой кривой характеризует перемещение левой точки стола с I = 0, то для точки суппорта с координатой I уравнение кривой примет вид у = <р (х—Z) и доля пути трения, приходящаяся на точку с координатой х, будет равна scp (х — I).
Поэтому износ в точке х от воздействия элемента эпюры давлений pdl составит
dU^k^tx—l)f(l)dl.	(39)
Чтобы определить износ в точке х от воздействия всего участка эпюры давлений от Zr до 12, необходимо просуммировать элементарные участки pdl в указанных пределах:
и (х) = kts / <р (х — Z) f (/) dl.	(40)
h
Данная формула является общей для различных случаев. При этом пределы интегрирования определяются в зависимости от того, какой участок эпюры давлений воздействует на данную точку станины с координатой х (табл. 23).
Например, при L < /0 постоянном ходе суппорта, т. е. <р (х) = 1	Р
— — и треугольной эпюре давлений р =; -р-1 уравнение изношенной поверхности для I участка будет иметь вид
х
U(x)^kls\-^-^-ldl^^-xi.	(41)
J Ь »о	ZbtQ
0
Таблица, 23
Пределы интегрирования при расчете износа по формуле (40)
L 1о	Участок	Пределы участка	Пределы интегрирования	
			It	la
>1	I	0 С X 1й	0	X
	II	Iq х L	0	Io
	III	L < х < L + 10	х—L	Io
<1	I	0 С х< L	0	X
	II	L С х < /0	x—L	X
	III	Iq х 10 L	x—L	Io
294
Рис. 92. Влияние длины хода на форму изношенной поверхности направляющих
Формулы для различных случаев, полученные из общей формулы (40) аналогичными расчетами, приведены в табл. 24.
В общей формуле (40) учтено влияние основных факторов на форму изношенной поверхности направляющих:
k± — отражает износостойкость материалов и условия изнашивания; s — интенсивное
р =f (Z)—отражает конструкцию суппорта (стола), т. е. расположение сил (характер эпюры давлений), и величины действующих сил; ср (х) — характеризует процесс работы машины, например технологические процессы обработки, осуществляемые на универсальном станке.
Пользуясь полученной формулой, можно проанализировать влияние отдельных факторов на величину и характер U (х) и в каждом конкретном случае указать наиболее эффективные пути для уменьшения величины износа и получения более равномерной формы изношенной поверхности, которая непосредственно связана с точностью работы, виброустойчивостью конструкции и возможностью компенсации износа.
Например, из этой формулы следует, что изменять форму изношенной поверхности направляющих металлорежущих станков можно не только путем улучшения конструкции, но и путем правильного проектирования технологических процессов обработки и рациональной загрузки станка.
Для увеличения срока службы направляющих универсальных станков с большим ходом суппорта (L > /0) особое внимание следует обратить на правильную загрузку станка и приемы работы, обеспечивающие более равномерный износ направляющих. Нецелесообразно загружать станок изготовлением небольших деталей, которые можно обработать на станке меньших размеров. При больших ходах суппорта форма изношенной поверхности направляющей приближается к форме кривой <р (х) (рис. 92, а).
Для увеличения срока службы направляющих станков с малым ходом (L < /0) необходимо стремиться к равномерной эпюре давлений, что зависит главным образом от конструктивной формы суппорта и его направляющих. При эксплуатации станка эпюра Давлений может быть частично изменена при помощи различной установки инструмента в резцедержателе. При малых ходах суппорта форма изношенных направляющих приближается к форме эпюры давлений / (Z) (рис. 92, б).
295
Таблица 24
2.	Расчет формы изношенной поверхности при ограниченной длине направляющих. Особенность расчета направляющих, когда суппорт может «свешиваться» с них, заключается в том, что площадь контакта между суппортом и станиной изменяется, и эпюра давлений будет являться функцией не только длины контакта Z, но и положения суппорта z (рис. 93, слева). Так как х, z и Z свя заны зависимостью х = z + Z, то
(42)
Р = /(г; /) = /(%;/).
Рис. 93. Определение U (х) при ограниченной длине направляющих
298
При отыскании функции U (х) рассматривают два участка: I участок 0 с х < L и II участок L < х < /0.
При определении износа в точке с координатой х необходимо просуммировать воздействие элементов эпюры удельных давлений, учитывая ее зависимость от положения суппорта.
Формула (40) примет вид
iz
U (х) = ks j ф (х— l)f (х\ I) dl.	(43)
ii
Формула (43) является общим случаем формулы (40), так как зависимость эпюры давлений от положения суппорта может получиться не только из-за уменьшения площади контакта в направляющих, но и вследствие изменения сил, действующих на суппорт.
Пределы интегрирования для рассматриваемого случая будут для I участка = 0, Z2 = х, для II участка = х — L, 12 =х.
В качестве примера определения U (х) при ограниченной длине направляющих рассмотрим случаи, когда основное значение в создании эпюры давлений имеет вес суппорта G (рис. 93), При начальном положении суппорта эпюра давлений — прямоугольник, при крайнем правом — треугольник и при промежуточных положениях — трапеция.
Уравнение эпюры давлений можно получить, рассматривая ее как сумму двух эпюр: от центральной нагрузки G на длине (/0 — г) и от опрокидывающего момента М = G у.
Обозначая через а ширину направляющих, после соответствующих преобразований получим
п = Г_1____________3 (х —Z) 6/(х —/) 1	(4 }
Р a L /-Но-* (/-Но — *)а И/+/о + *)3 J	k '
При постоянном ходе суппорта закон распределения ф (х) => = Т‘ Функцию U (х) подсчитываем по формуле (43).
После интегрирования и преобразований получим
--I+7-X-21n(/ + 4-x)]';. (45)
Подставляя соответствующие пределы интегрирования и производя преобразования, получим:
для I участка
(7w=^(v-2In^)>	(46)
299
для II участка (при L = zmax = О,25/о)
l/W = ^-(0,32-i-+0,1).	(47)
Проверка уравнений U (х) обеспечивается подсчетом значения U для общей точки соседних участков.
В рассмотренном примере х — L — 0,25 Zo относится к участкам / и II. Подставляя это значение х в формулы (46) и (47), получим в обоих случаях =	Износ направляющих
суппорта U (/) подсчитывается по той же формуле, что и U (х), так как в данном случае контактные поверхности направляющих суппорта и станины находятся в одинаковых условиях. Если же суппорт свешивается в обе стороны с направляющих станины, а последние находятся в постоянном контакте с суппортом, то в смысле условий изнашивания станина и суппорт меняются местами и форма изношенной поверхности суппорта определяется по формулам для U (х).
3.	Работа трения при износе направляющих, Форму изношенной поверхности направляющих U (х) можно представить как следствие неравномерного распределения работы трения по длине направляющих.
Составим уравнение работ, приравнивая количество затраченной работы трения и работы Л2, необходимой для образования кривой U (х).
Элементарная затраченная работа трения (рис. 94) dAt = sf dp « sff (I) dl,
где s — путь трения и f — коэффициент трения.
Вся работа трения будет
(48) о
где N — реакция в направляющих, Z„
tf«ajf(Z)d/;	(49)
а — ширина направляющих.
Работа трения, затраченная на износ U на участке с координатой х, будет
kt
Здесь у- показывает, на сколько микрометров износится данный элемент поверхности при затрате единицы работы трения. 300
Рис. 94. Работа трения при износе Р направляющих
Интегрируя, получим значение работы трения А2:	<
L+/° 1 о	1
(50) где Fu—площадь кривой U(x).
Приравнивая (48) и (50), получим	’
Fu = klS-^.	(51)
В том, что это условие справедливо для всех рассмотренных случаев, можно убедиться, определяя путем интегрирования полученных уравнений площадь кривой Рц.
Так, например, для третьего случая (табл. 24) будем иметь следующее значение площади кривой U (х) для отдельных участков: для участка I
Fi =	/ (2Lx—х2) dx = k^pt (А —	;
о
для участка II L
Fu = J (2Z. + Z„-2x)u'v = (l -А) ; /о
для участка III ъ+i» Fm = J (L + l„-xf dx = ktsPl^. L
Суммируя площади участков, получим площадь всей кривой t/(x):
Ьо == FI + Fn + Fш ® kjSpJo =	— t
где N == р^а — реакция в направляющих.
Из полученного соотношения видно, что для рассмотренного случая выдерживается соотношение (51).
Формула (51) может быть использована для определения коэффициента k в производственных условиях, когда известны форма кривой U (х) и условия работы машины.
4.	Износ поступательной пары при небольших относительных перемещениях* Небольшие относительные перемещения сопряженных поверхностей (осциллирующее движение) встречаются
301
Рис. 95. Расчетная схема для определения износа при небольших относительных перемещениях тел поступательной пары
в некоторых механизмах, а также могут быть следствием вибраций. В последнем случае происходит износ, как правило, фреттинг-коррозия, кинематически неподвижных соединений.
Специфика расчета таких сопряжений, когда можно пренебречь изменением координат по оси к для эпюры износа и давлений, заключается в возможности использовать условия касания и вследствие этого более точно рассчитать форму изношенной поверхности.
Расчетная схема для этого случая изображена на рис. 95. Условия касания, исходя из области взаимного внедрения тел, выражаются формулой (2).
Рассмотрим данную задачу для степенных, в отношении давления, законов изнашивания (11). Для суммы скоростей изнашивания будем иметь:
Vi + Yae (^i + Ю ®Рт— из законов изнашивания;
Т2 = 71^2 (1-+ Y1-2 -у----из условия касания (2).
Приравнивая правые части этих уравнений, получим выражение для р, которое совместно с уравнениями равновесия статики даст систему уравнений:
-т)+^И:	(52>
P = a\pdl-	(53)
О
Za
Pip = a J pl dl,	(54)
где а — ширина направляющих; lD — координата приложения силы Р.
302
Таким образом, получена система из трех уравнений с тремя неизвестными /?, у{_2 и 71—2, решая которую определим все необходимые параметры изношенного сопряжения.
Данный прием демонстрирует общий методический подход для решения задач по износу сопряжений, когда уравнений статики недостаточно для оценки эпюры давлений. Дополнительным уравнением, позволяющим определить неизвестные параметры, является условие касания поверхностей.
Решим данную задачу вначале для линейных законов изнашивания (11), т. е. при т » 1.
Подставляя значения р из (52) в уравнения (53) и (54) и интегрируя их, получим два уравнения, по которым определяются значения параметров у{_2 и у!-? изношенного сопряжения.
После преобразований получим
^=PV-ka^ (1±6f)>
где ер — эксцентриситет приложения силы Р. Эта формула объединяет две формулы и при знаке плюс получаем значение уг_2 = = Y1L2, а при знаке минус yi_2 = Т1-2.
Подставив эти значения 71-2 и 71-2 в формулу (52), получим выражение для эпюры давлений, которое после преобразований будет иметь вид
^^О + бт-12^)’	.	<56)
р
где рср = ---среднее давление на поверхности трения (при
ер = 0 р = рср const).
Таким образом, при данных законах изнашивания эпюра давлений имеет линейный характер, В общем случае это трапеция, которая ч при ер = ~—- превращается в треугольную эпюру (рга1п = 0). Формула (56) для эпюры давлений аналогична широко применяемым формулам, полученным только из уравнений статики, но с предпосылкой о линейности эпюры. В данном случае такой предпосылки не было (она равноценна добавлению уравнения в статически неопределимую задачу), и формула (56) получена из иных условий — когда износ пропорционален давлению. При т =/= 1 эпюра давлений уже не будет линейной. Решим аналогичную задачу для законов изнашивания (11) при
303
Подставляя, как и в предыдущем случае, значения р из (52) в (53) и (54) и интегрируя, получим систему из двух уравнений, где неизвестными являются и
з	з
(?U)2 — (Ti-2)2
Vl-2 — Vl-2
(57)
1
71-2 ~ V1_2
(tU)2
2 (Vi-2) 2 - (Vi-2) 2
5	V'1_2 — Vi^2
rn₽ A . ЗР/Hfei + fcJ
ГДе A- 2аГй
Решение этой системы привело к следующим формулам: y'i-2 = P^v (kt + *2) (1 + 12,4 -Й-);
(58)

(59)
Подставив эти значения в формулу (52), получим
Р=Рср/1 + 12,4 -^-22,4-^.
(60)
Таким образом, в данном случае р не является линейной функцией Z, так как характер эпюры давлений зависит от исходных законов изнашивания. Характерно, что в данном случае эпюра давлений [уравнение (60) ] более чувствительна к эксцентриситету силы и при 8Р > 0,1/0 произойдет раскрытие стыка.
Следует иметь в виду, что нелинейность эпюры давлений еще не означает нелинейной формы изношенной поверхности. Действительно, подставив р из уравнения (60) в уравнение (11), получим
У = ?/ = topJp(l +12,4-й-----22,4	(61)
X	*0	/
т. е. эпюра износа U — линейная функция I, При ер = 0 износ будет равномерным и формула (61) превращается в выражение (11) при т = 2.
5. Экспериментальное исследование формы изношенной поверхности направляющих. Возможность аналитическим путем оценить форму изношенной поверхности направляющих по изложенной выше методике была подтверждена многими исследованиями автора и его учеников, проведенными в лабораторных и эксплуатационных условиях [193].
304
115
Рис. 96. Определение формы изношенной поверхности направляющей станка
Исследования относились в основном к направляющим металлорежущих станков, где они играют ведущую роль в сохранении станком точности. Измерение износа производилось различными методами, но наиболее удобным оказался метод вырезанных лунок с применением специальных приборов. Сравнение расчетных и экспериментальных эпюр износа показало их близкое совпадение. Исключение составляли направляющие с неполным начальным касанием поверхностей, когда в первый период работы происходит процесс макроприработки (см. гл. 8, п. 3). После этого периода процесс стабилизируется и форма изношенной поверхности подчиняется рассмотренным расчетным закономерностям. При больших износах отклонение измеренной формы от теоретической может вызываться нарушением исходных условий, принятых при расчете, так как будет происходить изменение начальной эпюры давлений.
На рис. 96 приведен пример определения U (х) расчетным и экспериментальным путем для универсального токарного станка за 11 месяцев его работы.
Измерение износа проводилось методом лунок при помощи прибора П-3 (см. рис. 81). Для оценки кривой (р (х) распределения пути трения был создан специальный прибор — ходограф [146], который записывал длину и расположение хода суппорта при обработке на станке различных деталей. На основании записей за 2,5 месяца работы станка была построена гистограмма, как экспериментальная оценка кривой <р (х). Эпюры давлений на гранях направляющих были рассчитаны по принятой в станкостроении
305
методике 152]. На рис. 96 показана эпюра р и значения износа (У, для основной грани, полученные после 11 мес. работы станка.
Графическая интерпретация формулы для определения U (х) может быть получена при разбивке кривой распределения (в данном случае гистограммы) и эпюры давлений на п участков. Износ в точке с координатой х может быть получен по формуле
=	(62)
1=1
где pi и yt — средние ординаты участков эпюры давлений и кривой распределения, расположенные на одинаковом расстоянии I от точки х.
Максимальное значение износа взято равным полученному на основании замеров. Сравнение теоретической и экспериментальных кривых износа показало, что положение их максимумов совпало и расчет дает правильное представление о форме изношенной направляющей.
4. Износ сопряжений с переменными условиями контакта
1. Износ кулачковых механизмов. Переменные условия контакта характерны для сопряжений более высоких групп классификации (см. рис. 85).
Для этих сопряжений основную роль в распределении износа на поверхности трения играет изменение внешних факторов (усилий, скоростей, условий контакта) по отношению к каждому участку поверхности. Неравномерное распределение износа, как правило, имеет место для сопряжений с высшими парами, а также при контакте поверхности с твердой средой (4-я и 5-я группы сопряжений).
Типичным представителем таких сопряжений может служить пара кулачок—толкатель с роликом или в виде острия. Кулачковые механизмы широко распространены в различных машинах, особенно в машинах-автоматах. Неравномерный износ профиля кулачка приводит к нарушению передаваемого закона движения, к возникновению дополнительных динамических нагрузок и нередко является основной причиной отказа всего механизма. В качестве примера на рис. 97 приведен результат измерения износа профиля кулачка зевообразовательного механизма ткацкого станка АТ-100-5М после его длительной (2 года в 3 смены) эксплуатации [161], Неравномерный износ кулачка в поперечном направлении связан с неправильными методами эксплуатации, когда сопряженный ролик при износе его посадочного отверстия своевременно не заменяется и допускает перекос. Неравномерный износ профиля кулачка связан с действием переменных факторов на каждом из участков кулачка и приводит к изменению закона движения ремизок, определяющих размер зева между нитями основы, где прохо-306
Рис. 97. Износ кулачка зевообразова-1ельиого механизма ткацкого станка; а — по профилю; б — в поперечном сечении
дит челнок. В результате повышается обрывность нитей, ухудшается качество продукции.
Рассмотрим методику оценки износа профиля на примере кулачкового механизма с поступательным толкателем и башмаком в виде острия (рис. 98). Данная пара относится к 4-й группе и I типу сопряжений, так как направляющие толкателя определяют направление х—х возможного сближения деталей при износе и для данного случая соблюдается условие касания (1). Износ толкателя мало
влияет на изменение закона его движения и основную роль будет играть искажение начального профиля кулачка при его износе. Для расчета формы изношенной поверхности кулачка также следует исходить из закономерностей изнашивания материалов, например вида (11), применяя их для каждого участка поверхности. Однако в этом случае должны учитываться следующие особенности расчета.
1.	Контактные напряжения в зоне касания подчиняются закону Герца. Так, для начального касания по линии и коэффициента
Рис. 98, Схема износа кулачкового '«..уч-изма
307
Пуассона ц = 0,3 (сталь, чугун) контактные напряжения подсчитываются по формуле

(63)
где N — нормальная нагрузка в зоне касания; Еп — приведенный модуль упругости материалов; а — ширина контакта: рг и р2 — радиусы кривизны сжимаемых тел. Поэтому исходные законы изнашивания должны относиться к условиям начального контакта по линии.
2.	Нормальная нагрузка является функцией нагрузки Р, действующей на толкатель, и угла давления а:
N — р_________С££фз_______
cos (а + <Pi + Ф2) ’
(64)
где Ф1 и <р2 — углы трения соответственно в паре кулачок—толкатель и в направляющих толкателя.
Поскольку угол давления а изменяется на различных участках профиля даже при постоянной нагрузке Р — const, реакция N будет изменяться в широких пределах. Если же учесть также инерционные нагрузки как функцию геометрических параметров профиля, определяющих ускорение толкателя, и переменность рабочей нагрузки Р, то диапазон изменения силовых условий контакта будет весьма большим и усилия в паре могут быть подсчитаны для каждой точки профиля кулачка, например, в функции его угла поворота р или длины развертки профиля.
3.	Радиусы кривизны профиля рг также переменны для различных участков. Кроме того, они могут измениться при износе. Даже если в первом приближении пренебречь этим изменением как для кулачка, так и для толкателя, контактные напряжения, как это видно из формулы (63), будут зависеть от значений р в каждой точке профиля.
4.	Скорости скольжения толкателя по профилю кулачка также изменяются, и при постоянной угловой скорости вращения кулачка со = const относительная скорость скольжения vr, направленная по касательной, будет
r cos а *
(65)
где R — радиус кулачка (Я = var).
Именно эта скорость входит в исходный закон изнашивания. Если же закон изнашивания записать в функции пути трения, то последний определяется длиной развертки профиля кулачка.
Таким образом, если исходная закономерность изнашивания материалов при данном виде трения записана, например, как у « kGkVr,	(66)
308
то определение формы изношенной поверхности кулачка U = yt производится непосредственной подстановкой в эту формулу исходных значений из (63), (64) и (65) с учетом того, что параметры Р, a, R и р переменны и являются функцией угла поворота кулачка р. Пример графического изображения исходных параметров и формы изношенной поверхности кулачка для его рабочего участка (характерные точки профиля 1—4) приведен на рис. 98, б. Износ сопряжения который измеряется одним параметром в направлении х—х и определяется искажением передаваемого закона движения, может быть определен по формуле (1), в которой U и угол а — функции угла поворота кулачка ₽. При оценке износа кулачка в паре с роликовым толкателем следует иметь в виду, что теоретически чистое качение, как правило, сопровождается проскальзыванием ролика, что оказывает существенное влияние на интенсивность его изнашивания [161].
2. Износ пары цилиндр-—поршневое кольцо^ Пара цилиндр— поршневое кольцо определяет работоспособность двигателей внутреннего сгорания, силовых гидравлических приводов, компрессоров и других изделий. Особенно тяжелые условия работы создаются при одновременном действии динамических нагрузок, тепловых факторов и химического воздействия газов, как это имеет место в двигателях. Хотя данное сопряжение относится к 4-й группе, где начальный контакт тел осуществляется по поверхности, малая толщина кольца а по отношению к ходу поршня приводит к неравномерному износу гильзы цилиндра, как результата переменности условий при каждом данном положении поршня (рис. 99).' При этом неравномерностью износа по толщине кольца можно, как правило, пренебречь. Исследования тракторных, автомобильных, судовых и других двигателей [1, 13, 1251 позволили выявить характерные формы изношенной поверхности цилиндра в различных сечениях. Обычно наибольший износ имеет место в зоне работы первого компрессионного кольца. Типичная кривая износа гильзы цилиндра показана на рис. 99, а. Однако, как указывает проф. Р. В. Кугель [98 ], в зависимости от вида износа в различных зонах цилиндра форма изношенной поверхности по образующей может измениться и принимать тот или иной характерный вид (рис. 99, г).
Обычно имеют место два основных вида износа цилиндров автомобильных двигателей:. 1) коррозионный — когда происходит разъедание стенок цилиндра продуктами сгорания и съем пленки окислов при движении поршня и колец; 2) абразивный — вызванный царапанием и деформированием стенок цилиндра твердыми частицами (продукты износа деталей, нагар, пыль и т. п.). Эти виды износа цилиндра могут возникать одновременно, но в зависимости от режима работы двигателя один из них может стать преобладающим.
Эпюра износа 7 (рис. 99, г) характеризует умеренный коррозионный износ верхней части цилиндра в сочетании с незначитель-
309
Рис. 99. Схема износа пары поршневое кольцо-гильза цилиндра
г)
ным абразивным износом, почти равномерным по высоте цилиндра. Эта форма износа возникает при благоприятном тепловом режиме работы двигателя, чистой смазке, хорошей фильтрации засасываемого воздуха.
Эпюра износа // характеризует незначительный коррозионный износ верхней части цилиндра в сочетании с преобладающим абразивным износом средней его части. Обычно возникает при благоприятном тепловом режиме, но загрязнении смазки.
Эпюра износа III характеризует резко выраженный, обычно коррозионный износ верхней части цилиндра при незначительном износе остальной его поверхности. Чаще всего возникает при неблагоприятном тепловом режиме, недостаточной смазке верхней части цилиндра, но может быть вызвана также попаданием пыли через всасывающий тракт.
Эпюра износа IV возникает в тех случаях, когда действие коррозии распространяется на большую часть цилиндра. При больших пробегах автомобиля наблюдается тенденция к постепенному переходу от эпюры III к IV.
Чрезвычайно большое влияние на форму износа, при прочих равных условиях, оказывают свойства топлива и масла. Если они 310
способствуют интенсивной коррозии, стимулируется возникновение эпюр износа III и IV. Поршневые кольца изнашиваются в радиальном направлении и по высоте. Наибольший износ имеют первые компрессионные кольца, работающие при высоких давлениях и температурах и часто при недостаточной смазке.
Для аналитического расчета формы изношенной поверхности цилиндра необходимо не только оценить действие всех основных причин при каждом положении поршня, но и учесть, что сам износ приводит к изменению нагрузок и других факторов, определяющих процесс изнашивания.
Действительно, при износе поршневого кольца происходит изменение сил упругости, прижимающих кольцо к стенке гильзы. Поэтому нагрузка является функцией износа р (U) и закон изнашивания (11) примет вид
%- = kp(U)v.	(67)
Впервые такой подход к расчету поршневых колец был рассмотрен в работе (41 ].
Методика расчета на износ пары упругое поршневое кольцо-гильза цилиндра двигателя содержит следующие этапы.
Суммарное давление кольца на стенку цилиндра складывается из давления газа рР и внутренних сил упругости ру.
Давление газов должно учитывать ту часть от давления р9 в надпоршневом пространстве двигателя, которая приходится на данное кольцо. Его в первом приближении можно рассчитать по формуле [46]
р„ = В(р0—I),
где В — доля от давления газов в цилиндре в данной подкольцевой канавке поршня. По данным проф. А. С. Орлина, можно принимать значение В равным 0,8 для первого кольца, 0,2 для второго и 0,08 — для третьего.
Давление газа в подпоршневом пространстве можно определить по индикаторным диаграммам или по формулам теории двигателей внутреннего сгорания. Оно зависит от положения поршня и от такта цикла. Давление кольца от сил упругости ограничено обычно техническими нормативами и должно находиться в следующих пределах: для карбюраторных двигателей ру — 0,1304-0,275 МПа, для дизелей ру = 0,154-0,35 МПа. Эти силы создаются за счет сжатия поршневого кольца при его нахождении в цилиндре и изменяются при износе сопряжения. По формулам для кривого бруса значение ру будет определяться как
ру = ^(л/ + ^.),		(68)
311
где М — изгибающий момент; гр — текущий угол; г — радиус кольца (рис. 99, в). В свою очередь, момент М связан с радиальной деформацией 6 зависимостью
М = ^(бо + ^),	(69)
г ab3
где Jo = —----момент инерции поперечного сечения кольца;
Е — модуль упругости.
Износ кольца на величину иг повлияет как на изменение момента инерции, так и на ^уменьшение степени деформации кольца:
<,(<»-(/)».	{70)
6 = 6О — U.	(71)
Уравнения (67)—(71) определяют протекания износа кольца во времени. Если же учесть и износ стенки цилиндра, то в уравнение (71) следует подставить U =	+ t/2. Решение задачи в общем
виде осложняется переменностью рабочих усилий, скоростей и температур по длине образующей цилиндра тепловыми деформациями блока цилиндров и другими факторами. Поэтому наиболее достоверный путь получения данных об износе цилиндропоршневой группы в настоящее время экспериментальный. Однако расчет износа и при некоторых допущениях и идеализации позволит выявить основные факторы, определяющие величину и неравномерность износа.
3. Износ зубчатых зацеплений^ При работе зубчатых зацеплений создаются переменные условия взаимодействия в пределах профиля зуба. Это связано прежде всего с тем, что скорость относительного скольжения изменяется от .нуля (в полюсе зацепления) до максимального значения при контакте головки и ножки сопряженных зубьев. Поэтому в полюсной зоне имеет место чистое качение, а на остальных участках профиля также и скольжение. Начальное касание этих сопряжений происходит по линии и площадь контакта определяется условиями деформации (по Герцу). Величина контактного напряжения также изменяется в пределах профиля, так как радиус кривизны профиля эвольвентных зацеплений переменен.
Кроме того, на условие контакта зубчатых передач оказывает влияние смазка и ее гидродинамической эффект, направление и величина сил трения, возможности пластической деформации отдельных зон, температурные влияния и другие факторы.
Все это говорит о большой сложности процессов, протекающих в зоне контакта зубчатых зацеплений, когда условия, определяющие процесс разрушения поверхностей, не сохраняются постоянными для всех точек сопряженных тел.
312
Основной причиной отказов зубчатых передач является, как правило, усталость поверхностных слоев, приводящая к локальным повреждениям поверхности в виде выкрашивания или отслаивания отдельных частиц материала. Вопросам исследования и расчета на долговечность зубчатых передач из условия усталости (питтинга) посвящена обширная литература [48, 89, 216].
Износ зубчатых зацеплений‘может возникнуть, во-первых, при заедании, когда происходит местное разрушение граничной смазочной пленки [169], и во-вторых, при наличии в смазке или в окружающей среде абразивов, которые попадают на поверхность контакта. Изнашивание наиболее характерно для открытых передач сельскохозяйственных, горных, строительных и других машин.
Рассмотрим методический подход к износу профилей зубчатого зацепления на примере эвольвентных цилиндрических прямозубых колес, работающих в условиях абразивного изнашивания [158]. В основу взят закон абразивного изнашивания, написанный по отношению к величине линейного износа профиля зуба 1/0 за один цикл зацепления, т. е. за один оборот зубчатого колеса:
U0~kps',	(72)
где s' — путь трения, проходимый точками контакта зубьев за один оборот зубчатого колеса.
Среднее давление на площадке контакта сопряженных зубьев рер рассчитывается как отношение силы Рн к площади контакта 2Ьс, а сила — как интеграл функции давления по ширине площадки контакта (рис. 100, а):
Рср = ~2^ = *2^? J Р(х)& dx>	(73)
с
где Рв — нормальное усилие, передаваемое зубом.
Рис. 100. Износ профилей зубчатого зацепления; а » схема для расчета износа; б -» эпюры износа
813
Распределение давления р (х) по площадке контакта шириной 2с сопряженных зубьев принимается приближенно равным распределению давления по площадке контакта двух цилиндров с параллельными осями и представляет собой ординаты поверхности половины эллиптического цилиндра
p(x)=]/l-(-i-)70>	(74)
где ро — максимальное давление, рассчитываемое по формуле Герца:
р, = 0,418(75)
где ~— нормальная погонная нагрузка на единицу длины зуба; Епр — приведенный модуль упругости материалов сопряженных зубьев; рпр — приведенный радиус кривизны сопряженных зубьев.
Производя соответствующие преобразования, из (73) и (74) получим, что среднее давление равно
Рср=^-Ро.	(76)
Путь трения s' точек профиля зубьев, находящихся в контакте, рассчитывается как произведение скорости относительного скольжения иск сопряженных точек профилей на время /ц точек за один цикл зацепления:
s = Цск/ц.	(77)
Время трения /ц точек профиля зубьев, находящихся в контакте, определяем как отношение ширины контакта 2с к тангенциальной составляющей vt скорости перемещения точек:
<« = <•	(78)
Ширина контакта 2с рассчитывается по формуле
2с = 2-1,52 1/-^--^.	(79)
Г о £Пр
Подставляя в формулу износа (72) соответствующие значения из (75)—(78), получим, что величина износа пропорциональна нормальной погонной нагрузке и коэффициенту относительного
^СК
скольжения т) = —р
Ut = k-^-n.	(80)
314
Величина износазубьев колеса 1 за Nх циклов работы будет
^1=^=^^-^!.	(81)
Износ зубьев сопряженного колеса 2 за N2 = ~~ циклов будет
=	=	(82)
где i = ~— передаточное отношение чисел зубьев колес 2 и 1.
Выражая коэффициент относительного скольжения в функции радиусов кривизны pL и р2 сопряженных профилей зубьев колес 1 и 2, получим величину износа зубьев колес
^=^10

(83)
где р1п и рй — радиусы кривизны сопряженных зубьев в полюсе зацепления.	*
Выражения ------в (83) взяты по модулю, так как в полюсе
зацепления скорость скольжения изменяет направление, и данные выражения изменяют знак при р < рп.
Рассмотренная методика учитывает однопарное зацепление, когда нагрузка передается одной парой зубьев. При коэффициенте перекрытия больше единицы расчет на износ следует вести по методике для жесткосвязанных (статически неопределимых) сопряжений (см. гл. 7, п. 1).
Полученная на основании проведенного расчета форма изношенной поверхности зуба (эпюра I на рис. 100, б) показывает, что в полюсе зацепления, где нет относительного скольжения, износ отсутствует. Здесь возможно смятие поверхностей при недостаточной твердости материалов или выкрашивание вследствие усталости. Наблюдения за износом профилей зубчатых передач показывают, что на форму изношенной поверхности в ряде случаев влияют дополнительные факторы, неучтенные в принятой схеме расчета.
Так, в результате износа зубьев изменяются радиусы кривизны профилей, что приводит к изменениям контактных давлений и коэффициентов относительного скольжения. Поэтому при больших износах зубьев наблюдается некоторое отклонение экспериментальных эпюр износа от расчетных на головках зубьев и иногда в полюсной зоне.
Искажение эвольвент при износе и вследствие этого проскальзывание, а также пластические деформации часто способствуют
315
износу и в полюсной зоне (эпюра 77). Иногда в полюсной зоне на зубьях ведущего колеса наблюдается канавка, а в полюсной зоне на зубьях ведомого — гребешок (эпюра 777). Такая картина возникает при недостаточной твердости поверхностей и объясняется направлением сил трения: от полюсной линии к периферии на зубьях ведущего колеса и от периферии к полюсной линии на зубьях ведомого. Это явление описано в работе [216].
Искажение профиля зубчатых зацеплений в результате их износа приводит к появлению кинематических ошибок и росту динамических нагрузок в передачах.
4. Износ режущего инструмента. При обработке материалов резанием инструмент вступает во взаимодействие с обрабатываемой поверхностью, которая является твердой средой и контакт с которой вызывает износ режущей части инструмента. Условия контакта, особенно при обработке металлов, характеризуются большой силовой и тепловой напряженностью, что приводит к интенсивному износу инструмента, стойкость которого обычно находится в пределах нескольких часов.
Вопрос износостойкости металлорежущего инструмента — один из основных в области металлообработки. Исследованию закономерностей его изнашивания, физике процессов, определяющих интенсивность износа, влиянию на износ различных факторов и в первую очередь режимов резания, выбору рациональной геометрии инструмента посвящена обширная литература [1101. В зоне резания протекают разнообразные процессы, такие как пластическая деформация поверхностного и срезаемого слоя, возникновение высокотемпературных зон, адгезионные процессы (образование нароста), фазовые превращения и др.
Протекание износа во времени, как правило, характеризуется наличием периода интенсивного износа, определяющего в ряде случаев стойкость (срок службы) инструмента. Форма изношенной поверхности инструмента, например резца, сложная, поскольку изнашивается как передняя поверхность, где образуется лунка длиной Z от взаимодействия со сходящей стружкой, так и задняя поверхность, где образуется фаска длиной h от трения об обработанную поверхность (рис. 101, а). Обычно износ измеряется по задней поверхности резца U = h, так как размер фаски легче поддается измерению. Размерный (радиальный) износ резца Un определяющий точность обработки, связан с износом по задней поверхности Ur = h tg а, где а — задний угол. Схема сил, действующих на резец в процессе его изнашивания, показана на рис. 101, а. Равнодействующая Р является геометрической суммой нормальных реакций и и сил трения Ft и F2 на задней и передней поверхностях резца.
. Рассмотрим износ инструмента с позиций общего методического подхода по оценке износа сопряжений. Форма изношенной поверхности по задней грани определяется контактом с обработанной поверхностью и поэтому известна заранее.
316
Рис. 101. Схема износа режущего инструмента
Отклонения от номинала могут иметь место лишь за счет отрыва отдельных частиц материала при интенсивных видах изнашивания. Обычно длину фаски h можно определить без учета кривизны этого участка.
Протекание износа во времени зависит от законов изнашивания материалов и от условий контакта. Специфика процесса изнашивания здесь заключается в том, что давление, определяющее скорость изнашивания, изменяется по мере увеличения износа, т. е. р — = f (U). Поэтому уравнение для закона изнашивания, например вида (11) при т — 1 должно быть записано в дифференциальной форме:
dU = kp(U)vdt = k-^-vdt.	(84)
Рассмотрим типовые случаи зависимости сил резания (ее составляющей по задней грани резца) от износа.
1.	Примем, что сила не изменяется в процессе изнашивания, т. е. Afj = const. Тогда среднее давление на поверхности рг =
Nf	«
где а — сРеДняя ширина фаски.
Подставляя это значение в уравнение (84) и разделяя переменные, получим
и dU=> t.	(85)
После интегрирования получим, что износ связан со временем нелинейной зависимостью
(/=	(86)
Замедление темпа износа связано с ростом площади контакта. Однако исследования показывают, что усилие резания изменяется
317
при росте износа, причем эта зависимость в некотором диапазоне имеет линейный характер ‘ [НО];
2.	Если принять, что возрастание силы приводит к сохранению среднего давления на поверхности, т. е. р = const, то можно непосредственно применить закон изнашивания, и протекание износа во времени будет подчиняться линейному закону
U = kpvt;	(87)
3.	При значительном затуплении инструмента могут возникнуть условия, при которых сила на контакте будет связана с величиной износа степенной зависимостью, например
2Vi = 2V0(l+W,	(88)
где Мо — начальное значение нормальной силы и kp — коэффициент. Подставляя значение Л\ в формулу (84), получим
,т,	, Л/оО+М^2)	f UdU kNQv ,
dU = k aU vdt или	=
откуда
f = cln|l+V/2|,	(89)
где с— ---------известная константа.
ZkkpNQV
В данном случае износ связан со временем сложной зависимостью, характеризующей его интенсивное возрастание.
Таким образом, если будет известен характер изменения усилий резания в функции износа для различных диапазонов величин износа (см. рис. 99, б), то это определит и характер протекания износа во времени (см. рис. 99, в).
5. Износ элементов машин, взаимодействующих с твердой средой или телом. Целый ряд элементов машин изнашивается при контакте с твердой средой или телом, не являющимся частью машин. В этом случае необходимо оценить износ одной поверхности, учитывая все основные воздействия внешней среды, которые определяют интенсивность этого процесса и распределение износа по поверхности трения. Характерным для этих деталей является, во-первых, формирование внешних воздействий из условий динамики работы данного механизма с учетом обтекания средой поверхностей трения и, во-вторых, влияние, как правило, самого износа на изменение условий контакта. Примерами таких элементов машин могут служить лемех плуга при его взаимодействии с почвой, зубки горнорежущего инструмента врубовых машин и комбайнов, фильеры для пропуска нитей основы текстильных машин, лотки и шнеки для подачи заготовок, грузов или сыпучих смесей, протекторы автомобильных колес и др. Все эти элементы находятся, как правило, в тяжелых условиях работы и во многом определяют надежность всего узла или машины. Для расчета износа 318
этих поверхностей также можно применить общий методический подход, когда исходная закономерность изнашивания материала распространяется на поверхность трения, т. е. рассматривается макрокартина износа. Однако в перечисленных случаях основную роль играет специфика кинематических и силовых факторов, характерных для данного типа машин. Поэтому изучение износа этих элементов является обычно предметом специальных исследований.
5. Контактная задача для сопряженных поверхностей деталей машин
1.	Условие касания поверхностей с учетом контактных деформаций. Рассмотренные выше методы определения эпюры давлений, возникающих в месте контакта сопряженных поверхностей и формы изношенной поверхности, основывались (для сопряжений 1-й и 2-й групп) на применении условия касания при их износе (см. гл. 6, п. 1).
Однако при этом не учитывалась деформация поверхностных слоев, которая определяет характер эпюры давлений неподвижных соединений и подвижных в первый период их работы.
Определение характера распределения давлений и деформаций в местах контакта сопряженных деталей является одной из основных задач при расчете современных машин. Вместе с тем имеются решения не для всех случаев, встречающихся в деталях машин.
Классические задачи для контакта по малой площадке (теория Герца—Беляева) или для балки, лежащей на упругом основании, разработаны достаточно подробно. Однако случай, когда начальный контакт тел осуществляется по поверхности и главную роль играют контактные деформации, а не деформация тела детали, а также возможен износ поверхностей, не имеет строгого решения.
Обычно эту задачу решают, пользуясь уравнениями статики и задаваясь линейным характером эпюры давлений. Такой метод не всегда дает правильный результат потому, что задача является статически неопределимой и условию равновесия могут удовлетворять различные эпюры давлений. Выше было показано, что если задаются линейным характером эпюры давлений, то тем самым без всяких оснований и доказательств вводится дополнительное условие и задача становится статически определимой (см. гл. 6, п. 3).
Вместе с тем условие касания поверхностей, которое дает дополнительное уравнение при расчете износа, можно применить и Для случая контакта двух неподвижных поверхностей, если считать, что касание происходит по всей номинальной поверхности и основную роль играет деформация микронеровностей в зоне контакта. Действительно, в этом случае при любом характере деформации наблюдается полный контакт сопряженных поверхностей следовательно, условия (1) и (2) соблюдаются при замене линейного износа U на линейные контактные деформации 6 для тех же точек поверхности. При совместном учете контактных деформа-
319
ций и износа условия касания будут выражены следующими уравнениями:
при заданном направлении возможного сближения сопряженных тел
Д 0^) + (61+ад;	(90)
1-2	cos а ’	v •
при само установке поверхностей
U4 + У,) + (бх + 62) = дх (1 —L) + д,^_,	(91)
где Aj_2; Дх и Д2 — величины взаимного сближения деталей с учетом деформации и износа поверхностей.
При решении контактной задачи необходимо знать не только исходные закономерности изнашивания материалов, но и законы деформации поверхностных слоев. Для большинства случаев зависимость контактного перемещения 6 от давления на поверхности р выражается степенной зависимостью
6 = Крп,	(92)
где X и п — константы, зависящие от геометрии поверхности и свойств материалов [104].
Как было показано выше (см. гл. 6, п. 2), при использовании условия касания эпюра давлений на сопряженных поверхностях является следствием исходных закономерностей изнашивания. Аналогично при учете контактных деформаций она зависит от законов контактной деформации, т. е. от жесткости стыка. Такую эпюру давлений, которая определяется условиями контактной жесткости, будем называть статической, а эпюру, зависящую от закономерностей изнашивания,— динамической.
2.	Контактная задача при однотипном характере статической и динамической эпюр давлений. Пусть имеется неподвижное сопряжение, показанное на рис. 95. Все выводы, сделанные об износе данного сопряжения (гл. 6, п. 3), можно отнести к контактной деформации. Так, формула для эпюры давлений (56) или (60) примет тот же вид, если значение показателя п в законе деформации (92) будет п = 1 или п = 2. Для оценки величины взаимного сближения деталей при контактной деформации поверхностей можно подсчитать по формулам (55), (58) и (59) при замене (kv) на %.
Статические и динамические эпюры давлений в этом случае ' имеют однотипный характер и при износе сопряжения не будет происходить перераспределения внутренних сил в зоне контакта. Такая картина возникает, когда скорость относительного скольжения на различных участках поверхности постоянна или незначительно отличается от среднего значения и не оказывает влияния на изменение эпюры давления в процессе изнашивания. Так, зависи-320
р
мости для деформации двух поверхностей и их износа при небольших относительных перемещениях (рис. 95) можно применить для расчета на износ пары цилиндр—колодка в осевом сечении (см. рис. 89, б), поскольку окружная скорость на поверхности трения не зависит от координаты l(v = 2rcnR = const) и не оказывает влияния на форму изношенной поверхности.
3.	Контактная задача при различном характере статической и динамической эпюр давлений. Рассмотрим на примере контакта дисковых поверхностей случай, когда эпюра давлений при неподвижном и подвижном стыках имеет принципиально различный характер. Для расчета дисков можно использовать формулы для конических поверхностей (см. гл. 6, п. 2) при а = 0.
Так, эпюра давлений при т = 1 [см. формулу (17) ] будет
" = (93)
где р — текущий радиус поверхности.
Таким образом, эпюра давлений при износе имеет гиперболический характер, в то время, как для неподвижного стыка из условия деформации поверхностных слоев она будет прямоугольной Р = const (рис. 102). Гиперболический характер эпюры р у изношенного сопряжения означает, что поверхностные слои в зоне больших значений р будут подвергаться меньшей деформации. Поэтому при остановке дисков и снятии нагрузки (Р = 0) форма поверхности будет отличаться от плоскости (рис. 102, внизу). Эта форма такова, что и при статической нагрузке эпюра давлений Должна подчиняться уравнению (93). Если считать, что контактные
И Проников А С.	321
деформации подчиняются зависимости (92), то уравнение искаженной поверхности в поперечном сечении будет
Х = Х [ 2л (/? - г) ]	Т5’)'
Это положение можно использовать для оценки характера динамической эпюры давлений по измерению отклонения поверхности трения от плоскости после снятия нагрузки. Такие экспериментальные исследования были проведены, например, проф. Г. Дано-вым (НРБ) и его учениками.
Таким образом, при износе поверхностей будет происходить постепенное перераспределение статической эпюры давлений в динамическую. Рассмотрим этот процесс на примере дисковых поверхностей при линейных законах изнашивания (tn = п = 1).
4.	Процесс перераспределения статической эпюры давлений в динамическую. Применим условие касания для дисковых поверхностей при одновременном действии контактных деформаций и износа (рис. 102).
Так как изношенные и деформированные поверхности должны снова совпасть, то для любой точки поверхности трения
($1 + 62) + (Ui + U2) = А = const.	(95)
Учитывая законы деформаций и законы изнашивания, получим формулу
(\ + Х2) Р + (К + k2) 2nnptp = const,
Продифференцируем это равенство по р, учитывая, чю р является функцией р:
(>.1 + М-|- + 2лпЦА1+й2)(р-^-+р) = 0.	(96)
Обозначая величины, не зависящие от р и р, через
и интегрируя уравнение (96), получим зависимость давления от радиуса р, т. е. формулу для эпюры давлений
р =	(98)
Постоянная С определится из уравнения статики (8), подставляя в которое значение р из формулы (98) и производя интегрирование, получим
2л (я-г-В In 4^7-) ’	(99)
322
и окончательно из формул (98) и (99) получим
(100)
Из этой формулы видно следующее: при В = 0 (t = оо) получим формулу (93), т. е. перераспределение статической эпюры давлений в динамическую будет длиться бесконечно долго; при В — = оо (t = 0) второй сомножитель превращается в нуль, т. е. р от р не зависит, и получим статическую эпюру давлений (в осевом сечении — прямоугольник).
Для анализа процесса перераспределения эпюры преобразуем формулу (100), введя рср = rij----------среднее давление и без-
размерный коэффициент е:
е = рт= +	,п<	(101)
Л1 -f- Л2
где 8 — коэффициент перераспределения, представляющий собой произведение двух коэффициентов; р — постоянная для данных условий и т = nt — функция времени.
Тогда формула (100) примет вид
На рис. 103 приведены графики изменения удельного давления в функции 8 (т. е. с течением времени) при различных значениях
а на рис. 104—процесс изменения эпюры р.
Скорость перераспределения зависит от соотношения радиусов дисков (чем шире диск, тем медленнее перераспределение) и от значения 8. Для более износостойких материалов и для материалов с малой контактной жесткостью перераспределение эпюры давлений идет медленнее.
Однако во всех случаях первый период работы сопряжений характеризуется более интенсивным перераспределением эпюры р.
5.	О прогнозировании износа сопряжений. Рассмотренные в данной главе методы расчета на износ сопряжений позволяют еще на стадии проектирования оценить возможный ход процесса изнашивания и учесть влияние основных факторов.
Такие характеристики, как форма изношенной поверхности, эпюра давлений и изменение относительного положения тел при износе их поверхностей (износ сопряжений) определяют работоспособность данной пары трения. Конструктивные особенности сопряжения, условия контакта поверхностей, кинематические и
11*	323
О 2 4 6 8 Ю 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 £
Рис. 103. Изменение ршах и pm)n во времени
Рис. 104. Схема перераспределения эпюры давлений с течением времени
силовые факторы, а также закономерности процесса изнашивания материалов определяют характер износа сопряжения. Полученные аналитические зависимости, связывающие эти параметры, позволяют не только определить ход процесса изнашивания при определенных значениях этих факторов, но и оценить дисперсию процесса при вариации исходных параметров в определенных пределах, т. е. осуществить прогнозирование износа сопряжения.
Перечисленные параметры изношенного сопряжения непосредственно связаны с выходными параметрами механизма или машины (см. гл. 7 и 8) и поэтому определяют их работоспособность. Особую сложность при расчетах представляет в настоящее время определение коэффициентов износа материалов k, которые, как известно, зависят от большего числа факторов (см. гл. 5).
За последние годы появилось большое число исследований износа для типовых сочетаний материалов, различных смазок и условий изнашивания. Полученные данные позволяют оценить средние значения или диапазон изменения коэффициентов износа k, а также показателей т [см. формулу (11) ], если износ нелинейно зависит от давления р. В качестве примера в табл. 25 приведены средние значения k и т для различных сочетаний материалов по исследованиям и обобщениям канд. техн, наук В. В. Гриб и инж. Г. Н. Кузиной. Приведенные данные относятся к сопряжениям,
Показатели износа материалов тихоходных пар трения
Таблица 25
№ пары	Сочетание материалов Пары	1-я деталь		2-я деталь		?кр	Смазка	
			/л,		т2			
1	а—б	з,ь io-13	1,97	3-10-13	1,66	200		
2	б—г	3,1-Г11	1,85	2,1-10’13	1,52	400		
3	в—б *	1,1.10"15	2,38	3,6-10“15	2,26	400		
4	в—б	2,3* 10“13	1,58	2,6-10’12	1,23	400		
5	а—г	ю-13	1,76	9,5-10-12	1	400		
6	а—д	2,2-10“14	3,15	1,6-10“13	2,71	50		k А
7	г—д	3,3-IO'12	1,5	2Д.10-11	1,42	75		
8	“в	4,6-10’12	1,58	1,3-IO’13	1,77	150		
9	б *—е	1,9. IO'12	1,47	1,6-ю-13	1,42	150		
10	б—ж	2,9*10-13	1,26	5,5-IO"11	1,26	75		
11	а—б	5,3.10“15	2,29	2.I0’13	1,5	400	Б	
12	а—б	8,3. Ю"16	3,02	3,6-10'16	3,1	200	В	
13	б—г	5,2. Ю'*6	2,5	8,3.10"15	2,14	400	В	
Обозначение материалов: а — сталь 45 HRC 38 — 43; б — сталь 20Х (цементирована или нитроцементирована *) HRC 60 — 62; в — сталь 111X15 HRC 60 — 62; г — сталь 38ХМЮА (азотирована) HRC 60; д — чугун СЧ 21-40; е— БрОФЮ-1; ж —БрАЖ9-4. Смазки: А — солидол ГОСТ 4366—76; Б = солидол и 10% меди; В - ЦИАТИМ-201 ГОСТ 6267-74.
325
работающим в режиме граничной смазки при малых скоростях скольжения (до 0,1 м/с), когда температура на поверхности трения не оказывает влияния на процесс изнашивания. Коэффициенты износа k± и k2 соответственно для материала первой и второй деталей сопряжения подсчитаны при оценке давления в даН/см2. В табл. 25 указаны также критические давления ркр даН/см2, при превышении которых закономерность изнашивания изменяется. Диапазон значений k и соответственно скоростей изнашивания достаточно широк и при применении различных пар трения и смазок может измениться на несколько порядков. Как видно из табл. 25, на скорость изнашивания влияют сочетание материалов пары, характер термообработки (см. пары 3 и 4) и вид смазки (см. пары 1, 11 и 12). Эти данные пригодны для оценки износа направляющих скольжения, шарнирных соединений, медленно вращающихся подшипников скольжения. Показатели износа материалов пар трения, полученные экспериментально, применимы лишь для тех условий, в которых производилось исследование, и даже незначительные отклонения от них при эксплуатации изделия могут существенно повлиять на интенсивность процесса изнашивания.
Наиболее желательно было бы определение значений коэффициентов износа из закономерностей, полученных на основе изучения физики процесса изнашивания. Однако такие расчеты износостойкости материалов только начинают развиваться, и конструктор, как правило, не имеет значения коэффициентов износа для типовых пар трения или такие данные относятся к ограниченному числу случаев.
В этих условиях при расчетах сопряжений на износ можно поступать следующим образом:
производить сравнительные расчеты, определяя, во сколько раз повысится износостойкость данной пары по отношению к прототипу или при сравнении нескольких вариантов конструкций;
оценивать значение коэффициента k на основе опыта эксплуатации аналогичных пар трения или прогнозировать возможное повышение износостойкости при применении новых материалов, зная изменение их механических характеристик и структуры;
производить нормирование скорости или интенсивности изнашивания, назначая определенный класс износостойкости (см. гл. 5, п. 5) и ставя условие перед технологами и эксплуатационниками о необходимости подбора таких пар трения и создания таких условий эксплуатации, чтобы интенсивность их изнашивания находилась в установленных пределах;
производить испытание образцов сопряженных материалов, используя эти данные для расчета сопряжений.
В последнем случае при изменении условий трения и контакта на поверхности трения сопряжения по сравнению с испытанием возможен масштабный эффект. Например, изменение теплового влияния (лучший или худший теплопровод) и условий попадания абра-326
зива на поверхность трения, различная деформация образца и реальной детали и др. могут исказить полученное значение k. Однако основные факторы будут, как правило, выявлены при испытании образцов. Масштабный эффект должен учитываться соответствующими поправочными коэффициентами, как это делается, например, при расчетах деталей машин на прочность и жесткость. Для развития расчетных методов оценки износа сопряжений необходимо накапливать фактические данные по износостойкости типовых пар трения для различных условий их работы.
Расчет на износ отдельных сопряжений является исходным для прогнозирования работоспособности механизмов.
ГЛАВА 7
ИЗНОС МЕХАНИЗМОВ
1. Износ жестко связанных сопряжений
1.	Статически неопределимые системы с изнашивающимися опорами. Б механизмах машин, как правило, имеется ряд сопряженных поверхностей, при этом их износ может протекать различным образом. Если износ каждого сопряжения не оказывает влияния на процесс изнашивания других элементов, то их расчет и анализ можно производить независимо, а затем оценивать суммарное воздействие износа сопряжений на выходные параметры механизма. Однако имеется большое число механизмов и сопряжений, износ отдельных поверхностей которых взаимосвязан и не может быть рассмотрен изолированно. Наиболее типичными представителями таких механизмов являются статически неопределимые системы с изнашивающимися опорами (например, вращающийся вал, имеющий три опоры). Реакции, возникающие в опорах, будут определяться с помощью дополнительного уравнения деформаций и с точки зрения сопротивления материалов одинаково как для вращающегося вала, так и для аналогичной балки, лежащей на трех опорах.
Эти реакции будут существовать лишь в начальный период работы вала, а затем начнется процесс их изменения в соответствии с законами изнашивания. Чтобы определить их величину, необходимо, как это было сделано выше (см. гл. 6), в качестве дополнительного уравнения привлекать условие их совместного износа. В этом случае на величину реакций окажут влияние и деформация вала и износ его опор. При большой жесткости связей основную роль будут играть условия изнашивания, и оценку работы каждого сопряжения необходимо производить с учетом их совместного износа. Такие сопряжения будем называть жестко связанными.
2.	Износ жестко связанных кольцевых направляющих. Рассмотрим центрально нагруженный стол с двумя парами кольцевых направляющих, расположенных на разных радиусах (рис. 105). При износе направляющих стол будет опускаться. Однако их износ нельзя рассматривать изолированно, определив предварительно реакции в направляющих. Процесс изнашивания возможен лишь при одинаковом износе каждого сопряжения в направлении х—х, т. е. должно выполняться условие
(1)
Это условие и определяет значения реакций Рг и Р2 в направляющих и ход процесса изнашивания всего механизма. Оно заменяет 328
дополнительное уравнение деформаций, которое применяется при расчете статически неопределимых систем. Так, если в рассматриваемом случае соблюдаются линейные законы изнашивания, то для дисков износ сопряжения подсчитывается по формуле (18) гл. 6 при а = 0. Используя зависимость (1), получим
(ki 4- k2) Pxti _ (Z?s 4- fe4) P2n
— /"1	/?2 — r2 *
откуда
Pl _ &3 4~ ^4 al
P2 ~ *14-^2 °2 *
(2)
где k2,	— коэффициенты износа для соответствующих
сочетаний материалов и условий изнашивания; и а2 — ширина направляющих.
Если ki 4- /?2 =	4~ т- е- условия изнашивания и мате-
риалы для каждой пары одинаковы, то значения реакций зависят только от ширины направляющих и пропорциональны им.
Учитывая уравнение статики Р = Рг 4~ Р2> получим, что для стола с двумя кольцевыми направляющими скорость его опускания в направлении х—х из-за износа направляющих будет
^(^4-М 7	«1 4- «2
(3)
Таким образом, при принятых законах изнашивания значение
у зависит не от радиусов, на которых расположены направляющие, а лишь от ширины. Это говорит о неправильном заключении, кото-
рое можно сделать при расчете направляющих по допустимым давлениям, который широко принят в практике, например в станкостроении. По упомянутой методике для уменьшения давления выгоднее располагать направляющие на большем радиусе, чтобы увеличить площадь поверхности трения. Однако, как показывает формула (3), это не отразится на износе направляющих, поскольку
одновременно возрастет и скорость относительного скольжения.
3.	Совместный износ плоских направляющих. При оценке износа жестко связанных сопряжений во многих случаях необходимо определить не только величину реакции, но и точку ее приложения, что
Рис. Ю5. Износ жестко связанным кольцевых направляющих
329
Рис. 106. Совместный износ плоских направляющих
влияет на характер эпюры давлений и изменение положения сопряженных тел при износе. Рассмотрим износ в поперечном сечении плоских поступательных направляющих для случая, когда перемещающаяся каретка (стол) обладает высокой жесткостью, а внешняя сила приложена эксцентрично (рис. 106, а). Направляющие, не допускающие бокового смещения каретки, на схеме не показаны. При рассмотрении действующих сил неизвестными являются не только реакции в направляющих Рг и Р2, но и точки их приложения — эксцентриситет по отношению к середине направляющих и е2. Статика дает всего два уравнения, включающие эти неизвестные:
Р = Р1 + Рг-,	(4)
^(*1 + -^-е1)=Р,(&, + -^- + е!).	(5)
Для получения двух дополнительных уравнений необходимо рассмотреть совместный износ этих двух жестко связанных сопряжений. При износе каретки она опускается и повертывается на некоторый угол а. Области взаимного внедрения, определяющие зависимость между износом сопряжений, состоят из двух трапеций с одинаковым углом а (рис. 106, б).
Два дополнительных уравнения можно получить из геометрических соотношений (из подобия треугольников), например, в виде
Uu — Ui _ _2h_z21_ — gf *	(6)
^ш — Un	Vni--Тц	b ’
^iii — ^ii __ Ущ ~~?п _ b
Viv~Yni a2 *
330
Эти два уравнения и будут теми дополнительными условиями, которые позволят решить данную статически неопределимую задачу. Действительно, зависимости для оценки износа сопряжения для каждой пары направляющих будут те же, что и полученные в гл. 6, п. 3. Применяя формулу (55) гл. 6 и учитывая, что в зависимостях (6) и (7) можно износ сопряжения заменить на скорость изнашивания (поскольку берется их отношение), получим:
_ piv (ki + *2) Ci .
Tn — Vi -	I23U7	’
(8)
__ P2V (^f 4~ ^2) е2 .
YlV	12ааЯ
(9)

где H — длина каретки; v — средняя скорость ее движения. При применении формулы (55) гл. 6 роль длины I (см. рис. 95) играет ширина направляющих а. Подставляя значения у из (8), (9) и (10) в зависимости (6) и (7), получим два дополнительных уравнения, которые содержат те же неизвестные Plt Р2, £1 и е2, что и в уравнениях статики. Решение данной системы позволит определить все необходимые данные для выявления силовой картины и для оценки параметров износа. Аналогичный метод можно применить и при учете контактных деформаций, как это было показано в гл. 6, п. 5.
4. Совместный износ наклонных направляющих. Расчет износа наклонных жестко связанных направляющих (рис. 107) производится с учетом того, что равномерный износ одной пары не влияет на формирование контакта другой, так как происходит небольшой относительный сдвиг в поперечном направлении сопряженных поверхностей второй пары. При неравномерном износе (в поперечном сечении) происходит поворот подвижной каретки относительно на-
Рис. 107. Совместный износ наклонных направляющих
331
правляющих, следовательно, в этом случае будет происходить совместный износ двух сопряжений. Условие касания выразится в том, что при жесткой каретке угол ее поворота при износе каждой пары будет одинаков, т. е. <рх = ср2. Приравняв тангенсы этих углов и выразив их через износ сопряжений, получим
t/l—3 — U\—3	t/2_3 — U2—3
tg<P =------------=-------a,-----•	(И)
Поскольку в данном случае только поворот каретки влияет на совместный износ поверхностей, достаточно лишь одного дополнительного уравнения. Характерным здесь является также то, что из уравнений статики или треугольника сил (рис. 107, б) можно определить величину реакций в направляющих
р _ р sin а2 и р  р sin af	/1
1 sin (aL 4- a2)	2 sin (at 4- a2) *	' ’
Для определения координат приложения сил необходимо воспользоваться условием касания (11). Подставляя в него, как и ранее, значения скоростей изнашивания у из формулы (55) гл. 6 и делая преобразования, получим
ал =  'п<,°';[о,5 (— +	+ —1;	(13)
а =. Гр 5 (т +	_ -Ь.]	(14)
ра та + I L \ а tna ) г ц J *	' '
(бь \ 3	sin a,
— »	= —•—L >
a2 /	sin a2
а параметры zx и zn — отрезки, отсекаемые граничными линиями направляющих на линии действия силы Р (см. рис. 107, а); 10 — параметр, определяющий относительное положение этих отрезков.
Из чертежа и формул можно сделать вывод, что силовая картина и условия износа не изменятся, если направляющие перемещать вдоль линии действия сил. Поэтому варианты, показанные на рис. 108, с позиции износа равноценны. Угол поворота подвижной каретки ср относительно направляющих при износе поверхностей можно определить по формуле (11), подставляя в нее значения UL_3 = yt из формулы (55) гл. 6, значения сил из (12) и эксцентриситета = 10,5 — ар11 аъ ар1 определяется из формулы (13).
5. Анализ конструктивных параметров жестко связанных сопряжение Полученные зависимости позволяют оценивать и сравнивать различные конструктивные варианты сопряжений и выбирать оптимальное решение. Так, формулы (13) и (14) можно использовать для определения целесообразных размеров направляющих, оценивать характер эпюры давлений, условия нераскрытия стыка и решать другие задачи. Определение угла ф, тангенс кото-332
рого растет пропорционально времени работы сопряжения, позволит связать его с выходными параметрами данного механизма.
Для наглядности оценки влияния отдельных параметров сопряжения на его работоспособность на рис. 109 приведена зависимость эксцентриситета сил от значений та и соотношения размеров направляющих — (для случая /0 = 0). Значение аР1 = 0,5^ соответствует центральному приложению реакции (еР1 =0) и, следовательно, прямоугольной эпюре давлений. При эксцентриситете ер1 = ± ~ эпюра давлений — треугольник, а при ер > >	1 происходит раскрытие стыка. Как следует из формулы (13),
Рис. 108. Равноценные варианты расположения наклонных направляющих
Рис. 109. Зависимость эксцентриситета приложения сил в направляющих от их конструктивных параметров
333
при у' та = та (для случая 10 = 0)	= 0,5 и условием цен-
тральной нагрузки будет
at _ sin a*
~а^ ~ sin а2 *	' '
Например, из рис. 109 видно, что при 04 = а2, та — 1 и = а2 aPt = 0,5. Остальные кривые также пересекают линию aPi = 0,5 (ер = 0) при значениях та = На основании графиков и формул (13) и (14) можно дать оценку различным вариантам. Пусть, например, имеем направляющие с симметричным наклоном граней (04 = а2, т. е. та = 1), но разной ширины и — — 0,5, о2
В этом случае для одной направляющей нагрузка будет близка к центральной, а для другой — 2^ произойдет раскрытие стыка, т. е. данный конструктивный вариант является неудачным. Лучший вариант будет при соблюдении условия (15). Таким образом, и в данном случае законы изнашивания определяют характер распределения нагрузок в сопряжении и изменение начальных параметров пары трения в процессе эксплуатации.
2. Износ многозвенных механизмов
1.	Механизм с независимым износом звеньев. Во многих механизмах, состоящих из ряда звеньев и передающих движение от ведущего звена к ведомому, износ отдельных сопряжений происходит независимо от износа других элементов. Износ каждого сопряжения определяется теми нагрузками, скоростями и условиями взаимодействия, которые имеют место для данной пары трения. На протекание износа не накладывается дополнительных условий, связанных с износом других пар, как это было рассмотрено выше. Такие многозвенные механизмы, как приводы с зубчатыми передачами, механизмы исполнительных органов машин с шарнирными, кулачковыми, кулисными, винтовыми и другими парами, элементы гидро- и пневмосистем и многие другие могут в большинстве случаев рассматриваться как механизмы с независимым износом их звеньев.
Конечно, износ звеньев может привести к повышению нагрузок, действующих в механизме, тепловыделению, деформации и к другим изменениям, которые могут ускорить процесс изнашивания. Однако эти воздействия, как правило, не приводят к существенному изменению картины протекания износа, а лишь интенсифицируют процесс. Оценка дополнительных воздействий возможна и при рассмотрении износа отдельных звеньев как независимых элементов. Эффект от износа всех звеньев суммируется на ведомом 334
звене, определяющем обычно основное функциональное назначение механизма. Кроме того, износ каждого из звеньев должен обеспечить его нормальное функционирование. Таким образом, хотя износ каждого элемента механизма протекает независимо от других, но все они участвуют в формировании выходного параметра ведомого звена и с этой точки зрения принадлежат к связанным сложным системам (см. гл. 4, п. 1), когда для оценки работоспособности механизма необходимо одновременно рассматривать работу всех его звеньев.
2.	Влияние износа отдельных звеньев механизма на его выходные параметры. Рассмотрим влияние износа отдельных звеньев на выходные параметры механизма для случая, когда потеря работоспособности может характеризоваться изменением положения ведомого звена X = А. Механизмы, в которых должно быть обеспечено заданное положение ведомого звена, широко распространены. К ним относятся исполнительные, поворотно-фиксирующйе, зажимные и другие механизмы многих машин.
Износ сопряжений этих механизмов приводит к тому, что ведомое звено изношенного механизма займет иное положение, чем пеизношенного. Допускаемое отклонение в положении ведомого звена зависит от назначения механизма и определяет допускаемые значения износов отдельных звеньев.
Ошибка в перемещении ведомого звена, которая возникает при износе сопряженных деталей, зависит от конструктивной схемы механизма и от типа сопряжения (согласно классификации рис. 85).
На рис. ПО приведены типовые случаи зависимости между износом сопряжений и ошибкой А в перемещении ведомого звена.
Если износ сопряжений механизма UL_2 не зависит от взаимного положения тел, то ведомое звено сохранит заданный закон движения и его отклонение в перемещении будет одинаковым для всех положений механизма, т. е. А = const. В этом случае, как правило, возможно осуществить компенсацию износа увеличением размера одного из звеньев механизма, обеспечив перемещение ведомого звена на величину А. Если же износ хотя бы одного сопряжения механизма является функцией взаимного положения тел UY_2 =» = f (L), то закон движения ведомого звена исказится и отклонение А также будет функцией положения механизма А = f (L). В этом случае, как правило, невозможно полностью компенсировать износ механизма за счет изменения длины или положения его звеньев. Перемещение ведомого звена А связано с износом сопряжения 1/х_2, который является его элементарным выходным параметром.
Случай, когда износ сопряжения непосредственно влияет на отклонение положения ведомого звена, т. е. когда А = Ut_2 является наиболее простым (рис. ПО, а). В механизмах широко применяются звенья в виде рычагов. Тогда (рис. 110, б) при определе-335
нии отклонения ведомого звена необходимо учитывать передаточное отношение рычага I —
В тех сопряжениях, где при износе происходит самоустановка тел, износ сопряжения характеризуется двумя параметрами U't—г и [/1L2; изменение положения сопряженного звена также должно характеризоваться параметрами и Д2.
На рис. 110, в приведен типовой пример неравномерного износа шарнира. В результате износа точка А перемещается в точку Alf т. е. происходит сближение звеньев и поворот одного звена относи-336
тельно другого. Новое положение ведомого звена может быть задано координатами Дх и Д2, которые связаны с параметрами изношенного сопряжения зависимостями
= д \_~ь (^1-2^ Ui-2b) и
(16)
Примеры по рис. ПО, г и д иллюстрируют механизмы, в которых износ сопряжений приводит к искажению закона передаваемого движения. При износе гайки и ходового винта ошибка в перемещении ведомого звена (ползуна) связана с износом сопряжения зависимостью
Д(М = 1Л-2 = -^±^-.	(17)
Так как винт может изнашиваться по длине неравномерно и Ul = f (L), то значение Д будет зависеть от положения гайки на винте.
В ряде случаев возникает более сложная зависимость между Д и (7U2. Так, например, в кулисном механизме (рис. ПО, д) ошибка в перемещении будет зависеть от износа кулисы и камня.
Если при определении ошибки положения Д кулисного механизма учитывать неравномерный износ кулисы по длине, в результате чего Ux_2 — f (L) = f (р), и влияние на значение Д соотношения ~ и угла поворота кулисы р, которые также являются переменными, то
А = ^1-2 77 cos р.	(18)
Для механизмов, состоящих из многих звеньев, суммарная ошибка в перемещении ведомого звена определяется как функция износа всех сопряжений механизма.
3.	Суммирование износа звеньев механизма. В большинстве случаев отклонение ведомого звена от заданного положения Д можно определить как алгебраическую сумму износов отдельных сопряжений с учетом передаточного отношения ik между данным сопряжением и ведомым звеном, а также с учетом величины возможной компенсации износа механизма е:
а
2 C^ = A + e.	(19)
«=1
При линейном изменении износа во времени данное условие удобно выражать через скорость изнашивания отдельных сопряжений у*:
Д = Wk-e.	(20)
k—1
337
5)
Рис. 111. Схема износа механизма подъема шпиндельного барабана автомата;
а — износ звеньев; б — протекание износа во времени
Таким образом, если имеется возможность компенсации износа на величину е (0 < е с е1Пах), то вредный эффект от износа звеньев начинает проявляться лишь при значениях суммарного износа, превышающих е, т. е. при 2 Ukik > в. В общем случае возможна лишь частичная компенсация износа.
В качестве примера на рис. 111, а показана схема механизма подъема шпиндельного барабана токарного многошпиндельного автомата. Барабан 4 поднимается на время его поворота (Ао = = 0,25-4-0,3 мм),чтобы не изнашивались его постоянные опоры 5, являющиеся базовыми поверхностями. Подъем осуществляется от кулачка распределительного вала У, который, действуя на подшипник 2, приподнимает колодку 3 и фланец шпиндельного барабана 4. Ось подшипника и подъемной колодки помещена на качающемся рычаге 7. Функциональное назначение данного механизма состоит в подъеме барабана на такую величину, чтобы он отходил от своих постоянных опор 5. Если износ деталей механизма возрастет настолько, что поворот барабана будет проходить на его постоянных опорах, то они будут интенсивно изнашиваться, и станок потеряет свою точность.
При работе механизма подъема блока происходит износ следующих его деталей: кулачка ((7J, подшипника (суммарный износ (72), подъемной колодки (U3) и фланца шпиндельного барабана ((74). Износ деталей непосредственно сказывается на уменьшении подъема барабана на величину А, так как передаточные отношения в данном механизме ik = 1. Компенсация вредного влияния износа осуществляется за счет поворота пальца 6, имеющего эксцентриситет егаах = 3 мм, в результате чего колодка 3 приподнимается.
На рис. 111, б показана схема изменения работоспособности механизма. Пока суммарный износ находится в пределах значений е, его влияние компенсируется и изменения работоспособности не происходит, хотя периодически должна осуществляться регу-338
лировка механизма. Начиная со значений 2 ЦЛ = етах будет происходить опускание блока, допустимое значение которого Ад0П < А о- Для данного случая Адоп = 0,2 мм, т. е. зазор между барабаном и опорами должен быть не меньше 0,05—0,10 мм. Поэтому регулировка положения должна осуществляться с интервалом /р, в течение которого произойдет износ на величину АдОП:
= <21)
2j ykik
По данным исследований автора, средняя скорость износа элементов у (мм/год) в условиях интенсивной эксплуатации автоматов в три смены на одном из заводов составляла:
кулачок подъема барабана.............................  *	= 0 (усталость)
подшипник (суммарный износ) ...............................  =	0,06
подъемная колодка......................................,	у3 = 1,25
фланец барабана.........................................	»	= 0,09
Средний срок службы механизма до ремонта по формуле (20) т — АД°П+е ==	0,2+3	— оз года
СР	0,06 4- 1,25 + 0,09 “Аа’
После этого срока необходимо производить ремонт механизма, например заменить наиболее изношенную деталь (бронзовую колодку) на новую, имеющую ремонтный размер. Без компенсации износа (е = 0) средний срок службы данного механизма составлял бы меньше двух месяцев.
Для определения функциональных связей между отдельными звеньями и выходными параметрами сложных механизмов общее решение получено акад. Н. Г. Бруевичем (см. гл. 4, п. 3).
4.	Компенсация износа в механизмах.: Компенсация износа сопряжений обеспечивает более длительный срок их службы и поэтому широко применяется в современных машинах. Она преследует обычно две основных цели: устранение зазоров, возникающих в сопряжениях, и сохранение данного закона движения сопряженных тел при их относительном перемещении.
Возможности компенсации износа сопряжений различных конструктивных форм связаны с принадлежностью сопряжения к данной группе классификации (см. рис. 85).
У сопряжений 1-й группы, где осуществляется полный контакт поверхностей трения, компенсация износа, как правило, может полностью обеспечить дальнейшую правильную работу сопряжения. Так, например, при износе конических муфт или тормозов (рис. 112, а) компенсация износа заключается в дополнительном сближении конусов на величину а, равную износу сопряжения
При износе сопряжений 2-й группы при постоянном контакте поверхностей трения в ряде случаев можно полностью устранить возникающие зазоры за счет сближения элементов сопряженной
339
е)	г)
Рис. 112. Компенсация износа в сопряжениях различных групп
пары. Так, в подшипнике скольжения (рис. 112, в), состоящем из двух вкладышей, для компенсации износа необходимо сблизить вкладыши на величину е = UY_2 Ч- (72-з* Однако при этом положение вала изменится, что в некоторых механизмах недопустимо.
Необходимо отметить, что если подшипник скольжения выполнен цельным, то полная компенсация износа затруднительна.
Еще более сложна компенсация износа тех сопряжений 2-й группы, где износу подвергаются различные поверхности одного из тел и величина их износа неодинакова. Так, при работе винта и гайки (рис. 112, б) компенсация износа осуществляется часто за счет того, что гайка выполняется из двух половинок, которые при износе раздвигаются на величину е = Ut_2 + 1/3_4.
Если винт изношен неравномерно по длине, как это и имеет место у большинства ходовых винтов, износ сопряжения винт— гайка будет зависеть от положения гайки на винте. При данном методе компенсации возможно раздвинуть половинки гайки лишь на величину, равную emln, и при положении гайки на более изношенных участках винта зазор в сопряжении остается невы-бранным.
Аналогичная картина имеет место во всех тех случаях, когда износ сопряжения является функцией взаимного положения сопряженных тел Ur_2 = f (L). Поэтому в сопряжениях 3-й и 4-й групп устранение зазора также не может быть полностью осуществлено методами, при которых величина регулировки е = const. Например, при компенсации износа направляющих при помощи клина (рис. 112, г) смещение его может быть произведено лишь на величину минимального значения износа сопряжения е = 340
Следовательно, при работе сопряжения будет иметь место зазор, равный (U{_2 — U1-2).
В таких конструкциях полное устранение зазора в сопряжении может быть обеспечено при автоматических методах регулирования зазоров, позволяющих изменять величину е в процессе износа тел и при их относительном перемещении (см. гл. 8, п. 5).
Различные методы компенсации износа сопряжений обычно не ликвидируют тех искажений закона движения, которые возникают вследствие изменения геометрической формы изношенных поверхностей.
Все методы компенсации износа могут быть разделены на две основные категории. Наиболее просто осуществлять периодическую компенсацию, изменяя взаимное положение сопряженных тел по мере их износа. Но при этом требуется постоянное наблюдение за износом сопряжений, точность компенсации зависит нередко от субъективных факторов, и на регулировку тратится дополнительное время, вызывающее простои машины. Более совершенным методом компенсации износа является автоматическое регулирование, когда по мере износа сопряженных тел непрерывно ликвидируются возникающие зазоры или обеспечивается заданное усилие в паре трения (см. рис. 138).
5.	Учет рассеивания параметров механизма. При суммировании износов звеньев механизма необходимо учитывать дисперсию процесса изнашивания, а также рассеивание размеров звеньев механизмов, если рассматривается их совокупность. Последнее связано с технологическими допусками на размеры и форму изделий. Поэтому, как это указывает акад. Н. Г. Бруевич [181, первичная ошибка каждого звена складывается из погрешности его изготовления (случайная величина для данного типа механизмов и неслучайная — для конкретного экземпляра) и из изменения ее в процессе изнашивания [см. формулу (17) гл. 4, п. 3]. При оценке изменения работоспособности многозвенного механизма при износе его звеньев часто возникает необходимость определения не только средних значений изменения положения ведомого звена, но и дисперсии или пределов изменения значения Д. В этом случае алгебраическое сложение должно заменяться вероятностным. При независимости износов используется соответствующая теорема сложения дисперсий, а поле рассеивания (размах) значений Д может быть подсчитано как корень квадратный из суммы квадратов соответствующих размахов первичных ошибок звеньев. Если известны законы рассеивания первичных ошибок, то могут быть использованы зависимости, применяемые в технологии машиностроения Для расчета погрешностей сборки механизмов.
3* Предельные износы механизмов
Ь Критерии предельного износа; При оценке работоспособности механизма необходимо установить предельно]допустимые значе-вия износа его звеньев. Это является весьма сложной задачей, по-
341
6)
скольку к механизму в целом и к его деталям предъявляются самые разнообразные требования. Хотя нормативы на предельные износы в настоящее время имеются, как правило, для весьма ограниченной номенклатуры деталей и часто они недостаточно обоснованы, на практике при каждом ремонте машины приходится решать — могут ли изношенные детали продолжать выполнять свои функции или их надо заменять либо ремонтировать.
При занижении значений предельных износов срок службы деталей используется не полностью, при их завышении возрастает доля аварийных ремонтов из-за отказа деталей в межремонтный период. Поэтому незнание допустимых предельных износов деталей всегда вызывает увеличение простоев машины и затрат на ее ремонт, а в отдельных случаях может привести к серьезным последствиям.
Критерии предельного износа следует устанавливать исходя из общих принципов оценки предельного состояния изделия (см. гл. 3, п. 5). На рис. 113 приведены примеры критериев предельного износа для трех основных случаев. При износе направляющих толкателя кулачкового механизма (рис. 113, а) возможно заклинивание механизма из-за перекоса толкателя, изменения угла давления и возрастания реакций в опорах. В результате износа механизм перестает функционировать (критерий 1-й группы). Предельно допустимые износы должны определяться в данном случае из условия надежного функционирования механизма.
Пример попадания механизмов в зону интенсивного возрастания его выходных параметров (критерий 2-й группы) показан на рис. 113, б. При износе зубьев реверсивной пары шестерня-рейка при каждом изменении направления движения возникает удар, сила которого прогрессивно возрастает по мере износа пары. Зона 342
интенсивного возрастания динамических нагрузок и определит значения предельно допустимых износов.
Пример выхода параметров за допустимые пределы (критерий 3-й группы) приведен на рис. 113, в, где показан износ плунжерной пары топливной аппаратуры дизельного двигателя. Утечка топлива при износе гильзы и плунжера оказывает большое влияние на процесс подачи топлива, сокращая продолжительность его впрыска в цилиндр и ухудшая этим эксплуатационные показатели двигателя.
Следует иметь в виду, что критерием для установления предельного износа данного сопряжения может стать оценка того влияния, которое оказывает его износ на работоспособность других сопряжений и механизмов. Например, износ пары, к параметрам которой не предъявляется высоких требований, может привести к перераспределению нагрузок в механизме и к ухудшению условий работы ответственной пары, определяющей выходные параметры изделия. В этом случае предельно допустимый износ первой пары должен устанавливаться из условия обеспечения нормального функционирования основного сопряжения механизма.
2.	Предельные износы из условия прочности механизма. В ряде механизмов, особенно там, где допустимы сравнительно большие износы, критерием предельного состояния может служить уменьшение прочности детали при ее износе. Простейшим случаем влияния на прочность будет уменьшение размеров детали в результате ее износа. Например, если толщина зуба а тихоходного зубчатого колеса из-за износа U уменьшилась у основания и стала равной аг = а — U, то максимально допустимое значение износа l/max может быть подсчитано из условия израсходования зубом запаса прочности.
При проектировании шестерни был обеспечен запас прочности на изгиб п > 1, поскольку допускаемые напряжения од0П определи лились по отношению к пределу прочности ав как
Поскольку момент сопротивления у основания зуба при его изгибе равен W = где b — ширина зуба, можно написать, что
= _= и,	(22)
°доп (а — f/щах)2	'	7
Это условие означает, что при достижении износом значения U =* Цпах имевшийся запас прочности п > 1 будет израсходован. Из этого равенства получим
=	(23)
Например, при а — 10 мм и п = 1,3 предельно допустимый износ У основания зуба будет £/п1ах = 0,125 а = 1,25 мм. Если зубчатое колесо реверсивное и износ будет с двух сторон зуба, то его допу-
343
Umax
Lq о)
Рис. 114. Предельно допустимый износ направляющих строгального станка
стимое значение в 2 раза меньше. Для быстроходных передач при определении Umax из условия прочности необходимо также учесть возрастание динамических нагрузок при увеличении в результате износа зазора в зацеплении. В этом случае зависимость (22) следует представить в виде
Р^РД(Ц) (а — С/max)8	Р о
(24)
где — расчетная нагрузка; Рл ((7) —динамическая составляющая нагрузки как функция износа.
Для определения Рд (U) необходимо решить задачу о нахождении силы удара в передаче как функции бокового зазора А. При износе начальный зазор Ао увеличивается и становится равным А = Ао 4- U, где U = У, 1Ц — износ тех поверхностей зубьев, которые определяют боковой зазор. Для реверсивных передач величину зазора будет определять износ четырех поверхностей зубьев.
3.	Предельные износы из условия точности перемещения ведомого звена. Во многих случаях величина износа лимитируется требованиями точности к траектории перемещения ведомого звена.
Рассмотрим в качестве примера влияние износа направляющих строгального станка на точность обработки (рис. 114).
Детали различной длины, обрабатываемые на строгальном станке, устанавливаются обычно в середине стола. Поэтому кривая распределения длин обработки ср (х) будет симметричной. Эпюра давлений близка к прямоугольной, так как в тяжелых станках основное значение имеет масса стола и детали. Поэтому кривая изношенной поверхности направляющих имеет симметричную форму. Эта кривая по мере износа будет приближаться к дуге 344
окружности, так как только тогда возможно относительное перемещение стола по станине при условии касания сопряженных направляющих по всей длине.
Определим, какие погрешности возникнут на детали при обработке ее на строгальном станке с изношенными направляющими, форму которых можно принять за дугу окружности некоторого радиуса 7?. На детали вместо плоскости получится вогнутая поверхность, очерченная по дуге. Значение А характеризует максимальное отклонение детали от заданной формы.
Зависимость радиуса кривизны изношенной направляющей 7? от величины максимального износа, как видно из рис. 114, а, будет
их т = R (1 -cosp) = 2R sin2 4»
где Uxmax — наибольший износ, измеренный в направлении х—х (см. рис. 114, б). Учитывая малое значение угла р, можно считать, что Uxmax = s sin P= и, следовательно, £2
^xmax = где Lo — длина направляющих станины, откуда получим
R =	•	(25)
QVx шах
Аналогично можно установить зависимость между радиусом кривизны обработанной поверхности 7?х, погрешностью обработки А и длиной обрабатываемой детали Lr:
^i = #-	(26)
Значения R и R± связаны равенством R =	4- /1, где h —
расстояние от направляющих до обрабатываемой поверхности.
Заметим, что 7? является, как правило, большой величиной. Поэтому можно принять 7?	7?i, и из зависимостей (25) и (26)
следует, что
^max = A(4r)2’	<27>
В этой формуле износ измеряется в вертикальной плоскости и в случае плоских направляющих будет равняться износу их поверхности U.
При применении V-образных направляющих с углом основания а их износ U связан с износом Ux зависимостью U = = Ux cos а. Поэтому формула (27) примет вид
= A cos а 0*-)’.	(28)
345
Рис. 115. Влияние износа люнета автомата фасоннопродольного точения на точность обработки
Полученная формула показывает, что точность обработки связана с величиной износа направляющих и длиной обрабатываемых деталей. Значение погрешности обработки А задается из условия требуемой точности обработки.
4.	Предельные износы из условия рассеивания выходных параметров. Рассеивание значений выходного параметра как критерий для установления предельно допустимых износов характерно для случаев, когда можно компенсировать изменение среднего значения выходного параметра, однако динамические факторы приводят к его рассеиванию и параметр проявляется как случайная величина.
Примером может служить оценка точности токарной обработки па автомате фасонно-продольного точения, когда детали обрабатываются из прутка /, который выдвигается из люнета-втулки 2 (рис. 115, а). Износ люнета имеет разновидности А и В в зависимости от направления несоосности его центра и оси шпиндельной бабки 3. Как показали исследования автора, по мере износа U люнета возрастает среднее квадратическое отклонение размеров обработанных деталей о (рис. 115, б). Размеры обработанных деталей должны находиться в пределах допуска 6, т. е. необходимо, чтобы о < -|~ (для шестисигмовой зоны). Следовательно, допустимый износ люнета определяется требованиями к точности обработки и тем рассеиванием размеров, которое зависит от степени изношенности люнета. Значение а оценивает ту часть погрешности обработки, которая не может быть устранена подналадкой положения инструмента. Из рис. 115, б видно, что, если, например, рассеивание размеров должно находиться в пределах б == 0,12 мм (т. е. а = 20 мкм), то износ люнета не должен превосходить Umax = 12-4-15 мкм.
5.	Предельные износы многозвенных механизмов. При работе многозвенных механизмов, когда изнашивается несколько сопряжений и все они оказывают влияние на перемещение ведомого 346
звена (см. гл. 7, п. 2), необходимо установить предельный износ для одного из сопряжений с учетом износа всех звеньев. Часто для восстановления работоспособности механизма достаточно осуществить ремонт, регулирование или замену одной наиболее изнашивающейся детали и поэтому для нее надо знать предельно допустимое значение износа. Для решения этой задачи воспользуемся зависимостью (19), умножив обе части равенства на значение скорости изнашивания одного из элементов х механизма:
+	(29)
где Т — некоторый период работы механизма, после которого все звенья достигли определенных значений износа иг; U2;
Uk. По этим значениям можно определить скорость изнашивания каждого элемента как yk = ^~. Тогда равенство (29) примет вид
11	_ (А 4- е) ух __	Л~1~е
По формуле (30) можно подсчитать предельный износ любого звена механизма, если известны скорости изнашивания всех звеньев или их соотношение.
Например, в рассмотренном выше механизме подъема шпиндельного блока (рис. 111, а) наибольшая скорость изнашивания была у подъемной колодки. Пользуясь приведенными данными о скоростях изнашивания (см. с. 339), рассчитаем по формуле (30) предельно допустимый износ колодки (деталь № 3)
п _ (0,2 4-3)-1,25	п ос мм
^зтах — о,О6 4- 1,25-|-0,09	ММ*
При этом значении износа колодки суммарный износ всех звеньев достигнет предельного значения, (Д 4- е) = 3,2 мм. При замене колодки на новую полное восстановление работоспособности механизма будет в том случае, если эта деталь имеет ремонтный размер, учитывающий износ других звеньев. Размер колодки должен быть увеличен на величину Да, равную
Ла =	4- U2 4- (74 = Т (Т1 + у2 + у4) = 2,3 (0,06 + 0,09) = 0,35 мч
где Т = 2,3 года — средний срок службы механизма до его ремонта, подсчитанный выше (см. с. 339).
Следует отметить, что эти зависимости получены при условии линейной зависимости износа от времени. Кроме того, здесь не учитывалась дисперсия скоростей изнашивания. Расчет диспер-
347
сии срока службы и значений предельно допустимого износа можно оценить, используя эти же зависимости.
Предельно допустимые износы других звеньев должны определяться из условия их работоспособности по одному из указанных выше критериев: подшипника — по моменту трения, фланца барабана — из условия прочности, кулачка — по усталости поверхностных слоев. При эксплуатации машины должен быть установлен контроль за изнашиванием основных звеньев механизма.
4.	Изменение положения ведомого звена механизма в процессе изнашивания
1.	Изменение положения ведомого звена механизма как его выходной параметр. Для многих механизмов основное влияние на изменение выходных параметров оказывает износ сопряжений ведомого звена. Обычно, если требуется осуществить заданное перемещение ведомого звена, то в его формировании участвуют все звенья механизма и их износ может быть учтен или возможна компенсация износа, как это показано в гл. 7, п. 2 и 3. Если же предъявляются требования и к точности положения или траектории движения ведомого звена, то основное значение имеют сопряжения ведомого звена, определяющие его положение и направление движения. Если эти сопряжения обеспечивают постоянный контакт поверхностей трения, т. е. относятся к 1-й и 2-й группам классификации (см. рис. 85), то основным выходным параметром будет изменение положения ведомого звена в процессе изнашивания его направляющих. При изменении зон касания, как правило, следует рассматривать искажение траектории движения ведомого звена. Приведем пример расчета изменения положения вращающейся детали (планшайбы, стола, ротора) при износе кольцевых направляющих и нецентральной нагрузке, точка приложения которой зафиксирована относительно неподвижного основания.
2.	Анализ условий изнашивания нецентрально нагруженных кольцевых направляющих. Расчетная схема данного сопряжения приведена на рис. 116, а. При расчете его на износ необходимо учитывать следующее:
сопряжение относится ко 2-й группе классификации, так как точки тела 1 изнашиваются равномерно вдоль траектории (по окружности) — они находятся в одинаковых условиях износа, проходя под действием силы Р;
износ сопряжения должен характеризоваться двумя параметрами, так как сопряженные детали сближаются и повертываются из-за неравномерности износа 2-го тела;
эпюру давлений надо рассматривать не в одном сечении (как этого достаточно при симметричной нагрузке), а по всей поверхности трения;
поворот (наклон) тела 1 при износе очень мал, и поэтому допустимо измерение линейного износа в направлении оси х—х\ 348
6)
Рис. 1J6. Расчетная схема для определения износа нецентрально нагруженных кольцевых направляющих:
а — схема износа; б — область взаимного виедреиия; в — эпюра давлений
при относительном вращении тел неподвижным считается то, по отношению к которому положение силы Р не изменяется. Такой случай можно встретить, например, в направляющих кругового движения карусельных станков, когда вес детали и планшайбы приложен центрально, а сила резания — эксцентрично.
За параметры, характеризующие износ всего сопряжения, удобнее принять U{_2—максимальный износ деталей и U1L2— их сближение в центре. Область взаимного внедрения, которая ограничена поверхностями трения до и после износа, как и обычно для сопряжений 2-й группы, представляет в сечении трапецию. Рассмотрение этой области позволяет связать износ сопряжения с линейным износом поверхности в любой точке.
При расчете сопряжений на изнашивание неизвестными являются параметры износа сопряжения Ui-2 и U1-2 (или скорости изнашивания сопряжения у{_2 и 71-2), эпюра давлений р и величина линейного износа и U2 сопряженных поверхностей в любой точке (форма изношенной поверхности).
3.	Оценка характера эпюры давлений нецентрально нагруженных кольцевых направляющих. Эпюра давлений неравномерно распределена по всей поверхности трения и является функцией радиуса р и угла ср, т. е. р = f (р; ф).
349
Для того чтобы установить связь между силой Р и давлением р, надо проинтегрировать эпюру по всей площади трения, учитывая, что элемент площади равен dS = pdcpdp, а момент этой площади относительно оси у—у будет dMy = dS р cos <р = р2 cos cpdcpdp. Напишем два уравнения статики: проекцию всех сил на вертикальную ось х—х и момент сил относительно оси у—у:
R 2л
P=J j ppdp<hf>;	(31)
г О
R 2л
Ppp = J j pp2cos ср dp dtp,	(32)
г О
где рр—эксцентриситет приложения силы Р.
Для нахождения зависимости между линейным износом в любой точке поверхности сопряженных тел Ur и U 2 и износом сопряжения (7(_2 и U'l-2 рассмотрим область взаимного внедрения (рис. 116, б), которая в любом осевом сечении представляет собой трапецию.
Из геометрических соотношений получим
1Л + и2 = i/;_2 -££“1. +1/]_2 (1 -	.	(33)
Для нахождения эпюры давлений как функции р и <р необходимо знать исходные законы изнашивания материалов.
Решим данную задачу применительно к линейным закономерностям изнашивания:
= k^vt; U2 = k2pvt,	(34)
где v = 2лпр — скорость относительного скольжения при числе циклов п в единицу времени диска 1. Согласно условиям работы данного сопряжения заранее известно, что ух = const для данного р, так как диск 1 изнашивается равномерно по окружности, что характерно для сопряжений 2-й группы классификации.
Однако износ диска 2 неравномерен и скорость изнашивания у2 для различных точек диска различна. Значение у2 можно выразить следующим образом:
из (34) у2 = k2pv = k2p -2лпр;
/ООО	' р cos <р , „ /. р COS ф \
из (33) у2 = 71 _2 Л д т + 71-2 1 —	) — Т1-
Приравнивая правые части и определяя р, получим
₽ = Wr[(vU-Yl-2)^- + (7U-Yx)-^].	(35)
350
Эта формула определяет характер эпюры давлений, так как „	,	V\—2	” Ul—2
скорости изнашивания сопряжении yi_2 =—— и 71-2 = —~t— от р и (р не зависят.
4.	Определение износа сопряжения для кольцевых направляющих. Для дальнейшего решения необходимо найти зависимость от р. Эпюра давлений неравномерна, неподвижна и «связана» с диском 2. Поэтому каждая точка диска 7, лежащая на радиусе р, проходит через все участки эпюры и происходит суммирование ее воздействий при изнашивании вращающегося диска в данной точке. Согласно законам изнашивания (34)
dUr = kfanppdt, но
11 dTi = -^ = *1р2лпр-^-.
Для получения надо просуммировать износ по всей окружности :
2л
= j pdq<	(36)
о
Таким образом, решение задачи сводится к нахождению неизвестных р, у1-2, Viz-г и Vi из уравнений (31), (32), (35) и (36). Известно, что = const и = const, так как эти параметры характеризуют износ всего сопряжения и зависят от режимов работы (Р и п), которые в данном случае принимаются постоянными на протяжении всего периода работы сопряжения.
Интегрируя уравнение (36), подставляя в него значение из (35) и делая преобразования, получим
[,	2л	,	2л Л
Т1-27" ‘-г jcosч>Т1>.
о	о J
откуда
=	(37)
Из этой формулы видно, что износ диска / равномерен и не зависит от р и ф.
Подставив значение в уравнение (35), а затем значение р в уравнение (31), проинтегрируем его
Г.,'	Я 2л	. _	2? 2л
I	v О	г 0	-
351
В результате преобразований получим
D R — г „	„ (kx + &2)
P = ,7WT^)V'-2’ Откуда Т1-г= /? —г •
(38)
Из формулы (38) видно, что скорость изнашивания данного сопряжения, отнесенная к оси, не зависит от эксцентриситета приложения силы рР, т. е. она одинакова для дисков с центральной и эксцентричной нагрузкой.
Однако при эксцентричной нагрузке диск 1 будет наклоняться на величину, которая характеризуется параметром U'\_2 = Ti-2t
Для подсчета у{-2 проинтегрируем уравнение (32), подставляя в него значение р из (35) и у[_2 из (38):
R 2л г
г.	Iff/' " \ cos<p . „ k2 1
Рр₽ - J J <Т1-2—Т1-2) F Ti-2 -у г о L
р2 COS (pdpdqp.
После преобразований получим
' (kl + k*) РП / 1 .	6/?	\
Т1-2 = 7-г V + vn; -v+rR+r* р») 	<39>
5.	Определение угла наклона вращающегося стола при износе его направляющих. Выходнььм параметром, характеризующим изменение положения вращающегося стола при износе его направляющих, будет угол наклона стола по отношению к основанию. Из формулы (39) видно, что величина наклона стола при износе зависит от эксцентриситета рР. При рР = О получим Yi~2 = yi_2, т. е. поворота стола нет.
Угол наклона стола при износе
tga=------*---- =-----jj-‘	•	<40)
Таким образом, угол а растет со временем.
Эпюру давлений можно получить, подставляя значения у'\_2 и у!—2 из (38) и (39) в уравнение (35). После преобразований получим
Р ( 6РР	, 1 \	....
р “ 2л (R — г) [w + Rr + r* C0SCP+ р )♦	(41)
Таким образом, эпюра р является функцией р и ф (рис. 116, в). При ф = О и р = г получим
_ Р Г 6рр	1 ]	,
Ршах — 2ла R2 + Rr + г2 + rj*	'
При ф = л и р = R получим
Ршш = 2лу[~^"— /?2 + + г2 ] »	(41 )
где а = R — г — ширина направляющих.
352
Максимально допустимый эксцентриситет рРтах из условия нераскрытая стыка можно получить из формулы (41"), приняв Рит = 0- 0ТКУДа
_ R1 2 + Pr + r’
Рр шах	в#
(42)
При г — 0 (сплошная пята)
Рртах = ~о~ •	(42')
Интересно отметить, что условие раскрытия стыка связано только со значением рР и не зависит от величины износа.
Характерно также, что хотя эпюра давлений определяется с учетом законов изнашивания (34), она не зависит от величины износа и будет сохраняться (после периода приработки) в течение всего периода эксплуатации сопряжения.
Для определения величины линейного износа Ut и U2 в каждой точке поверхности трения (т. е. формы изношенной поверхности) из (37) и (38) получим
(43)
т. е. износ направляющей / равномерен и имеет одинаковое значение при центральной и эксцентричной нагрузках.
Для подсчета износа U2 в закон изнашивания (34) подставляем значение р из (41), учитывая, что U2 = у2/, получим
^-^7-[^Л + г»РСО8Ч’+Ф-	<44>
Таким образом, износ диска 2 неравномерен по радиусу и окружности, причем от р имеется линейная зависимость. Полученные зависимости позволяют указать методы повышения износостойкости сопряжения и оценить изменение со временем его работоспособности. Например, в случае применения данного сопряжения для стола металлорежущего станка можно определить потерю им точности при износе круговых направляющих.
5.	Изменение траектории ведомого звена механизма в процессе изнашивания
1. Искажение траектории ведомого звена при износе сопряжения?
При применении в качестве ведомого звена механизма сопряжений 3-й и 4-й групп (см. классификацию, рис. 85), для которых характерно изменение зон касания, их износ приведет к искажению траектории движения. Это изменение закона движения и будет являться основным фактором, определяющим выходные параметры изделия. В ряде случаев на искажение траектории ведомого звена будет оказывать влияние износ и промежуточных in	. „	353
1<г Проников А. С
или ведущих звеньев. Например, при работе кулачкового механизма основную роль в точности передачи движения играет пара кулачок — толкатель, а не последующие звенья механизма. Однако в большинстве случаев износ направляющих именно ведомого звена, непосредственно выполняющего заданные функции, определяет изменение траектории его перемещения. Например, рабочие органы (целевые механизмы) многих технологических машин — металлорежущих станков, текстильных, полиграфических машин, прессов, машин для литья под давлением и других — для обеспечения работоспособности должны при перемещении выдерживать заданную точность траектории. В гл. 7, п. 3 установлены предельные значения износа сопряжения из условия точности перемещения ведомого звена для простейшего случая, когда траекторию можно аппроксимировать дугой окружности. В этом случае имеет место простая связь между износом сопряжения и параметрами траектории движения заданной точки ведомого звена [см. формулу (28) ]. В большинстве механизмов неравномерность износа направляющих ведомого звена приводит к более сложным взаимосвязям между формой изношенной поверхности сопряжения и траекторией движения ведомого звена. Рассмотрим типичные случаи для направляющих скольжения поступательного перемещения ведомого звена (рис. 117). Как было показано выше (см. гл. 6, п. 3), форма изношенной поверхности направляющих может быть определена аналитически, причем в зависимости от соотношения длины ползуна /0 и величины его хода L эпюра износа U (х) будет состоять из трех участков. Взаимодействие направляющих ползуна и направляющих, по которым он перемещается, характеризуется изменением зон контакта, и в данном случае нельзя говорить о постоянном соблюдении условия касания по всей поверхности трения. Для установления связи между траекторией движения какой-то зафиксированной точки ползуна и износом сопряжения можно установить три характерных случая (рис. 117). При малом ходе ползуна /о» когда основную зону эпюры износа занимает средний (второй) участок, именно он оказывает главное влияние на искажение траектории (рис. 117, а). Ползун обычно прирабатывается в средней части к этому участку и имеет несколько повышенный износ по краям. Влияние износа направляющих ползуна можно, как правило, компенсировать и в искажении траектории основную роль играет форма изношенной поверхности основания (станины) — ее участок //. При перемещении зафиксированной точки ползуна из одного крайнего положения С в другое D при износе произойдет опускание ползуна на величину е, которую можно компенсировать. Искажение траектории зависит от До = £/цШах — ^птш» т. е. разности наибольшего и наименьшего износа на втором участке. Угол наклона траектории, если она близка к линейной, tga = 7^T‘
*0 — ь
354
Рис. 117. Влияние износа направляющих на искажение траектории движения ведомого звена
При большом ходе ползуна L > /0 (рис. И7, 0 на искажение траектории влияет износ всех трех участков направляющих основания. В первом приближении можно считать, что по кривой U (х) движется средняя точка направляющей ползуна (l = и траектория точки С копирует форму изношенной поверхности направляющих основания. При значениях L и /0, близких друг к другу (рис. 117, в), основную роль в искажении траектории будут играть крайние участки эпюры износа 1 и III. В этом случае можно рассматривать движение ползуна как сложное, которое состоит из поступательного движения фиксированной точки ползуна — полюса и поворота относительно него, когда крайние точки ползуна А и В скользят по изношенной поверхности направляющих основания (по ее крайним участкам). Рассмотрим промежуточное положение ползуна на неизношенных и изношенных направляющих (рис. 117, г). В результате износа точка С с координатами а, b переместится в С' и ошибка траектории А является результатом опускания точки А на величину износа А А' = Щ и поворота ползуна на угол а, где tg а = —111 ~	Значение
‘О отклонения траектории от прямой можно подсчитать как
Л = +	«5)
355
12*
Рис. 118. Влияние износа направляющих токарного станка на точность обработки
Таким образом, искажение траектории ведомого звена при износе его направляющих зависит от формы их изношенной поверхности U (х), методы расчета которой были рассмотрены в гл. 6, п. 3.
2. Влияние на траекторию звена износа жестко связанных направляющих. Выше была рассмотрена плоская задача, когда искажение траектории движения звена зависит от износа одной пары направляющих.
В конструкциях различных механизмов машин движение пол-
зунов, столов, суппортов и других звеньев осуществляется
по нескольким направляющим, каждая из которых имеет свои условия работы и неодинаковую форму изношенной поверхности. Вместе с тем они являются, как правило, жестко связанными сопряжениями (см. гл. 7, п. 1) с взаимным влиянием на износ каждой пары. Рассмотрим влияние износа нескольких направляющих на точность перемещения ведомого звена на примере токарного станка (рис. 118). Суппорт перемещается по трем граням направляющих станины (а, b и с). Причем передняя треугольная направляющая несет основную нагрузку, поскольку на нее направлена сила резания. При износе направляющих резец изменяет свое положение и точность обработки уменьшается. При этом именно неравномерность износа направляющих станины приводит к тому, что вместо цилиндрической поверхности на обрабатываемой детали возникнет конусность или бочкообразность, так как последствия равномерного износа направляющих полностью компенсируются за счет начальной установки резца. Износ направляющих суппорта по той же причине практически не оказывает влияния на точность обработки.
На рис. 118 показано два положения резца — при нахождении суппорта на неизношенном участке направляющих и при износе граней направляющих станины на величину Ua\ Ub и Uc.
На изменение радиуса обрабатываемого изделия А влияют: горизонтальное смещение суппорта на величину
x1 = (7tsinp — Lesina;	(46)
поворот суппорта, в результате которого резец величину
ха = (г—
отойдет на
(47)
356
где г — Qnyw&wte суппорта на передней направляющей (грани а и &),
z = Ub cos ₽ 4- Ua cos а;	(48)
опускание резца на величину, близкую к г, в результате чего резец отойдет от изделия на величину х3:
<49>
Следовательно, изменение радиуса обрабатываемого изделия будет
А = Х14- х2 + *з — *1 + *2-	(50)
Значение х3 можно не учитывать ввиду его малости.
Подставляя в формулу (50) значения Xj и х2 и производя преобразования, получим
А = U а (-^-cosa —sina) 4- Ub (-^-cos04- sin — Uc-~.	(51)
При значениях а = 25°, р = 65° и Н : В == 0,6 будет
A = 0,12i/a4- 1,16Ц, —0,6£/с.	(52)
Это уравнение выражает зависимость погрешности обработки от износа направляющих.
Здесь не учитывается длина суппорта (т. е. рассматривается случай, приведенный на рис. 117, б). При соотношениях длины направляющих суппорта Zo и величины хода L, близких друг к другу, необходимо воспользоваться соотношением (45). Форму изношенной поверхности направляющих можно получить на основании экспериментальных исследований или аналитически (см. гл. 6, п. 3) с учетом жесткой связи сопряжений (см. гл. 7, п. I), или при малой жесткости конструкции, считая их износ независимым.
Исследования автора по износу направляющих токарных станков средних размеров позволили получить зависимость между величиной износа (7Н, отнесенной к участку наибольшего износа и точностью отклонения размера (радиуса) обрабатываемой детали А:
д=^4-	<53>
Чем больше длина обрабатываемой детали L (мм), тем значительнее погрешность, вызванная износом направляющих. Искажение траектории ведомого звена А при износе во многих случаях определяет выходные параметры изделия. Поэтому изучение факторов, влияющих на А, и оптимизация условий и конструктивных
357
параметров, при которых А имеет минимальную скорость изме-нения, является актуальной задачей. Наиболее успешно эта за. дача может быть решена с применением ЭВМ.
3. Оценка при помощи ЭВМ условий изнашивания направляю, щих на стадии их проектирования.. Возможности ЭВМ позволяют на стадии проектирования направляющих оценить основные фак. торы, влияющие на интенсивность и неравномерность износа и соответственно на искажение траектории движения ведомого звена, и выбрать оптимальные параметры. В пределах ограниче-ний, накладываемых конструкцией, режимами эксплуатации изде-лия и требованиями к выходным параметрам можно иметь большое число различных решений, неодинаковых по надежности. Так, за счет свешивания направляющих ползуна (стола) можно добиться большей равномерности износа. При проектировании узла надо выбрать рациональное распределение сил в системе, найти оптимальное соотношение между размерами сопряжений и решить ряд других вопросов, требующих большого числа расчетов и сравнения различных вариантов.
Для разработки программы ЭВМ по расчету основных параметров сопряжения и выбора оптимального варианта необходимо установить следующие условия работы механизма и зависимости, характеризующие его работоспособность (на примере стола, перемещающегося по направляющим скольжения).
1.	Установить основные конструктивные параметры механизма и допустимые пределы их изменения (длина подвижных и неподвижных направляющих, ширина их граней, расстояние между направляющими, координаты приложения сил и др.).
2.	Оценить пределы изменения силовых, кинематических и эксплуатационных факторов (действующие нагрузки, скорости скольжения, вид смазки, наличие абразива в смазке, коэффициент трения и др.).
3.	Иметь аналитическую зависимость для расчета эпюры давлений на гранях направляющих, т. е. р — f (I). При линейном характере эпюры (трапеция)
v +	(54>
где N — реакция в направляющих; /0 и а — длина и ширина данной направляющей стола; ха — эксцентриситет приложения реакции Af; I — текущая координата.
Эта формула пригодна, когда основную роль играют контактные деформации, а деформацией тела стола можно пренебречь. В ряде случаев более точный расчет можно получить, рассматривая тело стола как балку на упругом основании.
Следует иметь в виду, что определение реакции АГ в направляющих связано с решением статически неопределимой задачи. Такой расчет в станкостроении применяют, основываясь на ряде допущений, например, считая, что внешний опрокидывающий момент 358
распределяется между гранями направляющих пропорционально их ширине [153].
4.	Необходимо иметь аналитические зависимости для определения формы изношенной поверхности направляющих U (х). Такие зависимости были рассмотрены выше [см. формулы (40) и (43) в гл. 6J. Чтобы в общей формуле разделить факторы, определяющие форму изношенной поверхности, которые входят в подынтегральное выражение, и факторы, влияющие на интенсивность процесса ks, в ряде случаев целесообразно пользоваться понятием условного износа t/yc:
I»
=	=	(55)
h
При работе сопряжения в различных условиях, например, со свешиванием направляющих стола со станины или при постоянном контакте расчет необходимо проводить по соответствующим формулам, суммируя эпюры износа при наличии разных нагрузок в пределах каждого цикла.
5.	Необходимо знать значения коэффициента износа k и его зависимость от условий эксплуатации.
Так, например, применительно к направляющим шлифовальных станков можно считать, что коэффициент износа k зависит от концентрации q абразива в смазке, т. е.
=	(56)
где k0 и X — коэффициенты, определяемые экспериментально.
В ряде случаев целесообразно также учесть неравномерное распределение абразива по длине направляющих, если оно подчиняется определенным закономерностям, поскольку вызвано постоянно действующими факторами.
6.	Следует установить аналитическую зависимость между износом сопряжения и изменением выходного параметра, например А — величины отклонения траектории ведомого звена от расчетной:
(57)
Примерами таких зависимостей для направляющих скольжения могут служить уравнения (45) и (53).
7.	Надо иметь предельно допустимое отклонение выходного параметра Ддоп, которое определит также и допустимые значения износа t/AOn (см. гл. 7, п. 3). Обычно эти требования задаются техническими условиями к проектируемому механизму или машине.
4. Блок-схема программы расчета на ЭВМ параметров узла трения. Упрощенная блок-схема программы для расчета на ЭВМ оптимальных параметров направляющих из условия длительного сохранения точности движения приведена на рис. 119.
359
Рис 119. Блок-схема программы для расчета на ЭВМ параметров направляющих из условия точности движения
Вначале (оператор /) осуществляется ввод массива исходных данных — размеров сопряжения, действующих усилий, условий эксплуатации (например, концентрация абразива в смазке) и других с выявлением возможных пределов их изменения. Затем J еобходимо построить таблицу планирования эксперимента, в данном случае вычислений (оператор 2), из которой выбираются комбинации исходных данных при каждом цикле испытаний (оператор 3). Поскольку число входных параметров достаточно велико и каждый из них может изменяться в определенных пределах (или иметь несколько уровней), то для выявления оптимального варианта необходимо проделать в общем случае большое число циклов расчета (экспериментов). Сокращение объема вычислений можно получить за счет исследования влияния только основных факторов, исследования влияния каждого из факторов лишь при частных значениях других, планирования многофакторного эксперимента (на основе латинского квадрата), случайной выборки комбинаций исходных факторов с учетом законов их распределения (метод Монте-Карло).
360
Первые два метода не обеспечивают полноты анализа, третий метод позволяет вскрыть влияние всех основных факторов при наименьшем числе экспериментов, последний метод наиболее полно вскрывает влияние входных параметров, но требует знания законов их распределения (например, закона распределения эксплуатационных нагрузок в механизме). ЭВМ осуществляет построение таблицы планирования и выбирает первую комбинацию входных параметров (оператор 3). Затем вычисляются реакции, действующие на гранях направляющих и координаты их приложения (оператор 4), что позволяет получить уравнение эпюры давлений на каждой из направляющих (оператор 5).
Вычисление износа производится по специальной подпрограмме (оператор 6), при этом вычисляется условный износ, т. е. та часть зависимости U (х), которая определяет форму изношенной поверхности. Подпрограмма учитывает, что эпюра износа направляющих является суммой эпюр при различных циклах работы механизма, например при движении стола в одну и другую сторону, когда изменяется силовая нагрузка в сопряжении или при рабочем и холостом ходе и т. д.
Далее вычисляется значение коэффициента износа k (оператор 7). В подпрограмму заложены данные об условиях эксплуатации, возможное изменение k по длине направляющих, условия, характеризующие подачу смазки, возможные варианты материалов пары и другие данные, позволяющие оценить пределы изменения и значения коэффициента износа k.
Все эти расчеты обеспечивают определение формы изношенной поверхности и величины износа в каждой точке направляющих, отнесенной к единице пути трения (оператор 8). Затем оценивается погрешность траектории движения ведомого звена А при перемещении стола по изношенным направляющим при некотором значении пути трения s = s0 (оператор 9). Полученная погрешность А сравнивается с допустимой (оператор 10). Если А < Адоп, то путь трения увеличивается на величину As (оператор 11) и расчет повторяется до тех пор, пока не определится значение пути трения s, при котором износ направляющих достигнет предельного значения. Это значение s заносится в таблицу (оператор 12). Затем все вычисления повторяются при других комбинациях входных параметров до тех пор, пока число вычислений п не достигнет установленного значения N (оператор 13). Каждая комбинация входных параметров и соответствующая величина пути трения s, которая пропорциональна сроку службы до достижения параметром значения А = Адоп, выводятся на печатающее устройство в табличной форме (оператор 14). После выполнения установленного числа циклов вычислений машина выключается (оператор 15).
Расчет можно построить также таким образом, чтобы определялась погрешность траектории при заданном (базовом) пути трения. В этом случае оптимальный вариант будет обеспечивать
361
наименьшие искажения траектории ведомого звена при одинаковой длительности работы механизма. Выполненные при помощи ЭВМ вычисления позволяют выбрать оптимальное сочетание конструктивных факторов, обеспечивающих наибольшую работоспособность smax, оценить среднее значение и рассеивание наработки при колебании эксплуатационных факторов, оценить вероятность безотказной работы механизма в течение заданного периода времени.
5. Пример поиска оптимального конструктивного варианта для узла трения. По изложенной выше методике были проведены расчет направляющих и поиск оптимального конструктивного варианта применительно к столу плоскошлифовального станка модели ЗГ71М. Работа выполнена под руководством автора канд. техн, наук Е. М. Харитоновым 1119].
Узел трения состоит из неподвижного элемента (станины) и подвижного (стола), перемещающегося возвратно-поступательно по направляющим комбинированного типа (одна плоская и одна V-образная). В качестве внешних сил, действующих на узел, приняты вес подвижных частей, силы резания, действующие в горизонтальной и вертикальной плоскостях, и тяговые усилия для перемещения подвижного элемента узла трения.
Расчетная схема, помимо координат приложения внешних сил, содержит основные геометрические размеры узла трения: длину и ширину направляющих стола и станины, расстояние между направляющими, угол наклона граней V-образной направляющей и др.
Расчет эпюр давлений и формы изношенной поверхности проводился для различных случаев работы, когда стол работает в пределах длины направляющих станины и когда он свешивается с них. Кроме того, учитывалось изменение сил при движении стола в одну и в другую сторону. Для оценки суммарного воздействия все полученные эпюры износа складывались. Для определения коэффициента износа были рассмотрены источники загрязнения направляющих и получена закономерность предполагаемого распределения величины концентрации абразивных частиц в смазке по длине поверхности трения. Для нахождения значений концентрации в любой точке направляющих необходимо иметь значение средней концентрации частиц в смазке (мг/л). Значение коэффициента износа k в точке направляющих станины с координатой х вычисляется по формуле
fe(x) = .D?(x),	(58)
где D — параметр, зависящий от твердости абразивных частиц, твердости материала и других факторов и определяемый экспериментально либо расчетным путем; q (х) — величина концентрации абразивных частиц в смазке в точке поверхности трения с координатой х.
362
Выбор оптимального конструктивного варианта пары трения и рациональных условий ее эксплуатации заключался в поиске такого сочетания независимых факторов, при котором достигалась максимальная равномерность распределения износа, способствующая повышению долговечности узла трения и самой машины. Общее число сочетаний (комбинаций) параметров зависело от принятого количества самих факторов и числа уровней каждого из них.
Для поиска оптимального варианта было учтено шесть конструктивных факторов (длина и ширина направляющих, координаты приложения тягового усилия), шесть факторов, отражающих условия эксплуатации (составляющие усилия резания, длина обработки, масса подвижных частей, коэффициент трения, концентрация абразива в смазке). Для каждого фактора было установлено пять уровней в пределах его возможного изменения.
Учитывая то, что при общем числе сочетаний, равном 2 «5е — — 31 250, затраты времени для расчетов с использованием обычных вычислительных средств чрезвычайно велики (около 312,5 X X 104 чел.-ч), поиск оптимальной комбинации параметров конструктивных и эксплуатационных факторов проводился с использованием методики рационального планирования экспериментов и ЭЦВМ.
Применение метода планирования дало возможность сократить количество комбинаций до 50 (25 для конструктивных и 25 для эксплуатационных факторов). Применение ЭЦВМ, помимо сокращения длительности вычислений, позволило автоматизировать процесс поиска оптимальных параметров. В качестве оценочного критерия принята величина погрешности обработки, возникающая в результате неравномерного износа направляющих.
Решение задачи осуществлялось в два этапа. Вначале определялась оптимальная комбинация параметров конструктивных факторов при усредненных значениях эксплуатационных. Затем в расчеты вводились оптимальные конструктивные параметры и находились рациональные условия эксплуатации станка. По окончании расчетов в табличной форме выведены рассмотренные комбинации параметров и соответствующие им величины погрешностей обработки деталей, эпюры износа граней направляющих и значения оптимальных конструктивных и эксплуатационных параметров.
Анализ результатов расчета для базовой наработки пути трения, равной 1000 км, показал, что конструктивные факторы оказывают значительное влияние на неравномерность износа направляющих и погрешность обработки. Наибольшее влияние оказывают длина направляющих стола и суппорта и ширина граней. Из эксплуатационных факторов наибольшее влияние на долговечность оказывают концентрация абразивных частиц в смазке и длина обрабатываемых деталей. Узел трения, имеющий оптимальные параметры, менее чувствителен к воздействию эксплуатацион-
363
них факторов. Если серийные станки мод. ЗГ71 в рассмотренном диапазоне условий эксплуатации имеют разброс изменений погрешности обработки от 1 до 12 мкм (для 400 км пути трения), ю для оптимального варианта изменения погрешности находятся в пределах от 1 до 5 мкм.
Для уточнения выбранных ЭЦВМ оптимальных значений параметров проводился повторный цикл расчетов, в котором наиболее сильнодействующие факторы (длина направляющих стола и суппорта) имели оптимальные значения и были постоянны. Комбинации значений остальных параметров выбирались машиной в соответствии с таблицей планирования аналогично первому циклу расчетов.
Результаты экспериментального исследования подтвердили удовлетворительную точность определения формы изношенной поверхности расчетным методом и оценки влияния основных конструктивных и эксплуатационных факторов на непрямолиней-ность направляющих, точность обработки деталей и долговечность станка.
ГЛАВА 8
ИЗНОС МАШИН
1.	Исследования износа машин
1.	Специфика исследований износа машин. За последнее время выполнено большое число исследований, проведенных в эксплуатационных условиях и при стендовых испытаниях по изучению износа различных машин и их механизмов. При этом, как правило, выявлялись и исследовались те узлы трения, которые оказывают наибольшее влияние на работоспособность машины и являются специфичными для данной конструкции, изучались факторы, определяющие интенсивность изнашивания, разрабатывались мероприятия по повышению износостойкости основных сопряжений машины. В ряде случаев выявлялись аналитические связи между износом сопряжений и выходными параметрами машины. Любая машина всегда имеет широкую номенклатуру узлов, работающих в различных условиях и по-разному влияющих на ее выходные параметры. Однотипные и стандартные узлы часто применяются в различных машинах, и особенности машин могут и не оказывать решающего влияния на их работоспособность. Однако в большинстве случаев необходимо исследовать износостойкость машины в целом, не ограничиваясь исследованием износа ее отдельных элементов и узлов. Обычно изучение износа всей машины или ее систем позволяет получить информацию о влиянии на ее работоспособность таких взаимосвязей, которые трудно учесть при изолированном или безотносительном к машине изучении износа узлов трения. При исследовании износа всей машины необходимо:
оценить процесс формирования выходных параметров машины при износе отдельных элементов;
выявить роль, которую играют отдельные узлы трения и выделить главные сопряжения;
установить связь износа одних элементов с работоспособностью других (см. гл. 4, п. 1);
оценить влияние условий эксплуатации на характер и интенсивность изнашивания.
Исследование и анализ износа машины в целом является завершающим этапом для построения модели ее надежности.
Приведем примеры и краткую характеристику специфики исследования износа различных машин.
2.	Износ технологического оборудования. Износ технологического оборудования приводит в первую очередь к ухудшению качества выпускаемой продукции и к снижению производительности труда. Имеются исследования, связанные с изучением износа
365
металлорежущих станков [146, 150], деревообрабатывающих станков [3], текстильных машин [121], металлургического [127] и кузнечно-прессового [124] оборудования, машин для производства деталей полупроводниковой и электронной техники и других. Несмотря на различие размеров, конструктивного оформления, назначения и объектов труда каждой технологической машины для них применимы общие принципы методологического подхода при анализе износа. Прежде всего необходимо оценить влияние износа на качество выпускаемой продукции, требования к которой будут определять предельно допустимые значения износов. При этом основную роль играют целевые механизмы, призванные изменять форму и свойства объекта труда. Именно их износ скажется на выходных характеристиках качества и определит параметрическую надежность машины. Например, износ шпиндельных опор и механизмов зажима заготовки металлорежущего станка, износ направляющих челнока в батанном механизме ткацкого станка или износ пятки шпинделя веретена, износ валков и их опор в прокатных станах приводит к снижению качества выпускаемой продукции. Износ и потеря работоспособности приводных механизмов, как правило, в меньшей степени влияют на выходные параметры технологического оборудования и определяют в основном надежность функционирования. Износ оборудования влияет также на его производительность, поскольку подналадки и ремонты для восстановления утраченных показателей качества вызывают дополнительные простои оборудования, а изменение режима работы из-за износа основных элементов машины снижает ее технологические возможности. Анализ работоспособности основных механизмов технологического оборудования может быть осуществлен лишь с учетом взаимосвязей и взаимовлияний при износе отдельных сопряжений. При этом в большинстве случаев основным критерием параметрической надежности является обеспечение заданной точности траектории или положения ведомого звена целевого механизма.
Специфичным для многих технологических машин является влияние на интенсивность изнашивания отходов технологического процесса. Так, в станках на процесс изнашивания влияет попадание в узлы трения частиц обрабатываемого материала (например, чугунной пыли) или продуктов правки и разрушения шлифовального круга. Для металлургического оборудования нежелательно попадание в узлы трения окалины, в пищевых машинах кондитерской промышленности отрицательно влияет на износостойкость попадание в узлы трения сахаристых веществ и т. д. С точки зрения восстановления утраченной работоспособности для технологического оборудования характерна возможность осуществления ремонта и технического обслуживания в любые промежутки времени. Чтобы потери времени и средств при этом были минимальны требуется рациональное построение системы ремонта (см. гл. 12, п. 2).
366
3.	Износ транспортных машин. Допустимая степень износа транспортных машин связана в первую очередь с требованиями безопасности. Кроме того, износ влияет на параметрическую надежность машины, так как при этом снижаются скорость, тяговое усилие, КПД, маневренность, управляемость и другие характеристики машины.
В области изучения износа транспортных машин имеются исследования по износу автомобилей [1; 98], самолетов [38, 97], железнодорожного транспорта, судовых установок [101] и др. Характерным для всех транспортных машин является взаимосвязь износа с динамическими параметрами машины. Нередко поломки элементов машины связаны с износом ее механизмов, так как в результате износа возрастают динамические нагрузки. Стремление к высоким скоростям и нагрузкам современных транспортных машин приводит к жестким требованиям в отношении износа основных элементов, влияющих на эти показатели и определяющих безопасность движения. Существенно также влияние окружающей среды — запыленности и влаги воздуха, наличия агрессивных сред, возможности столкновения с препятствиями, качества дорог и покрытий аэродромов. Кроме того, из-за сильной изменчивости режимов работы, для транспортных машин характерен широкий диапазон силовых и температурных нагрузок.
Обычно основное влияние на работоспособность транспортных машин оказывают ходовая часть, двигатель, система и механизмы управления. Часто износ двигателей изучается отдельно, поскольку он представляет собой самостоятельный агрегат, который изготовляется на специальных заводах.
Для ремонта и технического обслуживания транспортных машин характерна периодичность, которая зависит от заранее заданной длительности непрерывной работы (длительность рейса) или целесообразного периода непрерывной эксплуатации.
4.	Износ машин, работающих в условиях абразивной среды. Такие технологические и транспортные машины как сельскохозяйственные, дорожно-строительные, горные, нефтедобывающие и другие работают в контакте со средой, обладающей абразивными свойствами. Исследования износа этих машин [77, 130] показали чрезвычайную его интенсивность и ярко выраженный абразивный характер. При этом состав среды (почвы, породы, грунта) оказывает существенное влияние как на скорость изнашивания, так и на методы повышения износостойкости пар трения. Например, исследование изнашивающей способности почв показало [191], что она зависит от состава (определяющее значение имеет наличие в фракционном составе кварцевых частиц) и от влажности. Например, затупление лемеха плуга при обработке легких почв, но при малой их влажности может быть не меньше, чем более тяжелых, но с высокой влажностью.
У машин рассматриваемой группы особенно подвержены износу незащищенные элементы и находящиеся в непосредственном 367
контакте со средой — лемеха плугов, ковши экскаваторов, гусеничные механизмы тракторов, насосные станции для выкачивания нефти, горнорежущий инструмент и др. Кроме того, при сильной засоренности среды абразивные частицы проникают, как правило, во все основные узлы трения, засоряют смазку, изнашивают уплотнения и приводят к потере машиной работоспособности. Для этих машин характерно расходование большого числа запасных деталей для замены износившихся в процессе эксплуатации.
5.	Износ систем и агрегатов.; Во многих сложных машинах можно выделить отдельные системы и агрегаты, работоспособность которых в основном зависит от их износа и в меньшей степени от влияния других узлов и механизмов машины. Износ таких систем и агрегатов и его влияние на выходные параметры целесообразно изучать самостоятельно, но учитывать воздействия па данную систему других агрегатов машины, которые для нее играют роль окружающей среды. Взаимодействие и влияние износа отдельных пар трения рассматривается в пределах данной системы или агрегата. Примером таких узлов могут служить гидравлические системы и агрегаты машин [82, 107]. Износ элементов гидросистемы — насосов, распределительных пар, уплотнений, силовых цилиндров, поршней—непосредственно сказывается на выходных параметрах системы — точности передачи движения или управляющего воздействия, КПД, передаваемых нагрузках и др. Износ других элементов машины скажется в основном на силовых и тепловых нагрузках в гидросистеме, но не повлияет на изменение ее внутреннего состояния. Целесообразно также самостоятельно изучать износ пневматических систем, систем управления, систем подачи топлива, смазки, охлаждения, тормозных систем [39] и др. Сказанное можно отнести и ко многим агрегатам машины — двигателю и его системам, приводным коробкам передач, механизмам загрузки и подачи заготовок или сырья в машину и др. Особенно необходимо для многих машин самостоятельное изучение работоспособности двигателей и силовых установок, например применительно к летательным аппаратам [92], автомобилям [46], судовым двигателям. Так, исследование износа двигателей грузовых автомашин [1 ] показало, что основной причиной потери работоспособности (дымление двигателя, возрастание динамических нагрузок, перерасход масла, снижение КПД) является износ шатунно-кривошипной группы. Исследование износа сопряжений цилиндр—поршневое кольцо, головка шатуна — поршневой палец, шатунных и коренных подшипников и шеек коленчатого вала позволяет установить степень их влияния на работоспособность двигателя и назначить предельно допустимые износы. При рассмотрении износа машин и их систем необходимо не только определить износ основных узлов трения и механизмов, но и найти зависимости, оценивающие влияние этого износа на выходные параметры изделия, рассмотреть схему формирования показате-368
лей надежности в соответствии с общим методическим подходом (см. гл. 4, п. 3). Это даст основу для расчета и прогнозирования надежности сложных систем с учетом их износа.
2.	Расчет и прогнозирование изменения кинематических параметров машины при ее износе
1. О прогнозировании надежности сложных систем с учетом их износа. При прогнозировании изменения выходных параметров сложных систем (машин, агрегатов, систем машины), когда потеря ими начальных характеристик происходит в результате износа отдельных сопряжений, необходимо в первую очередь установить функциональную связь между выходными параметрами и степенью износа системы. В данном случае изнашивание — основной медленно протекающий процесс в структурной схеме параметрической надежности машины (гл. 4, п.З). Затем учитывается вероятностная природа аргументов, т. е. величин износа (см. гл. 4, п.4). При этом связь между выходным параметром и величиной износа отдельных пар трения обычно носит неслучайный характер (см. гл. 3, п. 1).
При линейной зависимости между износом Ut элемента и выходным параметром X искомая зависимость может быть представлена в виде
k
X =	aJJ t = alU1 -j-	-j- • • • +
i
где передаточный коэффициент а характеризует степень влияния износа каждого элемента на данный выходной параметр. Члены со значениями а более высокого порядка малости могут не учитываться. Однако при сложных связях между износом и выходным параметром, особенно при учете динамических факторов, зависимости часто имеют нелинейный характер (см. ниже). При прогнозировании необходимо также оценить изменение скоростей изнашивания для предполагаемых условий эксплуатации. Используя один из источников информации (см. гл. 4, п. 5) об износостойкости отдельных пар трения или назначая класс износостойкости (см. гл. 5, п. 5), необходимо еще на стадии проектирования оценить возможные пределы изменения скоростей изнашивания каждой пары трения, влияющей на выходные параметры (см. гл. 6, п. 5).
Рассмотрим методику прогнозирования параметрической надежности на примере потери металлорежущим станком точности при износе его сопряжений. Потеря станком точности связана с изменением траектории или положения заготовки относительно инструмента в процессе обработки. Поэтому речь идет в основном об изменении кинематических и геометрических выходных параметров машины.
369
Рис. 120. Агрегатный станок с расточной копировальной го-ловкой
2. Анализ работоспособности агрегатного расточного станка. В качестве объекта для анализа работоспособности и прогнозирования надежности рассмотрим агрегатный станок с расточной головкой,
предназначенный для обработки отверстий фасонного профиля. Данный станок представляет собой достаточно сложную систему, поскольку инструмент совершает движение по траектории, обеспечивающей обработку фасонного профиля. Основным узлом станка (рис. 120) является копировальная расточная головка, которая предназначена для обработки отверстий в невращаю-щихся деталях и работает в полуавтоматическом цикле. Силовой стол 1 перемещается от гидроцилиндра и обеспечивает требуемую продольную подачу. Стол имеет прецизионные направляющие 3, по которым перемещаются салазки 2. На салазках смонтирована расточная головка 8. Программоноситель 10 представляет собой копир, закрепленный на подвижной каретке 11. По копиру перемещается щуп следящего распределителя 9, закрепленный на подвижной части головки. Щуп гидродатчика управляет поперечной подачей плансуппорта 7 и оправки с резцом 6. Передаточное отношение копировальной системы равно единице. Обрабатываемая деталь 5 устанавливается на плоскость и на два фиксирующих пальца приспособления 4 и закрепляется на ней с помощью прижимных винтов и планок.
Головка может работать в обычном копировальном режиме со следящей однокоординатной системой при задающей продольной подаче, а также в делительном режиме при обработке карманов и канавок с наклонными фасками (см. рис. 122, а) и при обработке карманов и канавок с прямоугольными фасками.
При обработке карманов и канавок с прямоугольными фасками
подвижная каретка с копиром перемещается относительно неподвижной головки, резец врезается под прямым углом к оси детали. После врезания копир останавливается. При неподвижной головке и подвижном копире резец выходит из кармана.
Погрешность обработки отверстия фасонного профиля будет складываться из погрешности обработки в радиальном направлении, погрешности формы отверстия и погрешности пространственного положения отверстия относительно баз. Эти погрешности зависят от точности изготовления основных узлов и деталей головки, наладки станка, от влияния процессов, протекающих с различной скоростью и действующих во время обработки.
370
На начальные параметры точности станка влияет геометрическая точность изготовления и сборки его узлов, жесткость и виброустойчивость системы, а также ее тепловые деформации. В стадии проектирования эти показатели должны быть регламентированы соответствующими нормативами, а при наличии опытного образца подтверждены его испытанием. Погрешности обработки, вызванные перечисленными факторами, определяют запас надежности, т. е. ту часть допуска на обработку, которая будет не израсходована и оставлена в качестве запаса на износ. Хотя оценка начальных параметров машины на стадии ее проектирования является сложной самостоятельной проблемой, она не несет в себе опасности эксплуатации некачественной машины, поскольку неточность предварительной оценки начальных показателей проявится сразу же при испытании первого образца. После этого можно внести исправления в серийную модель или в данный образец. Вместе с тем прогнозирование потери точности от износа имеет большое значение потому, что результат износа проявится лишь после достаточно длительного периода эксплуатации машины.
3.	Схема износа сопряжений, определяющих надежность работы расточного станка. Конструкция расточной головки и основные сопряжения, влияющие на ее работоспособность, в зависимости от величины износа U показаны на рис. 121.
На погрешность диаметра обработанного отверстия влияет работа отдельных механизмов расточной головки. После раста-
Рис. 121. Схема износа сопряжений, определяющих надежность работы расточной головки:
1 — копир; 2 — щуп копировального устройства; 3 — направляющие шпонки обратной связи; 4 — шпонка обратной связи; 5 — гидроцилиндр подачи резца в радиальном направлении; 6 — направляющие гидроцилиндра; 7, 8, 9 — подпятники; 10 — задняя опора штанги; 11 — задняя направляющая штанги; 12 — передняя опора штаиги; 13—> Передняя направляющая штанги; 14 — подающий клин; 15 — направляющая подаю-7^ег° клина; 16 — возвращающий клин; 17 — направляющая возвращающего клина; ‘в — каретка плансуппорта; 19 — направляющая плансуппорта; 20 — резец; 21, 22 — шпиндельные опоры; 23 — направляющие головки; 24 — направляющие станины
371
чивания первого пояска отверстия фасонного профиля резец не возвращается точно в прежнее положение, так как в механизме копирования имеются зазоры. Поэтому точность и износостойкость механизма копирования влияют на точность положения карманов и на их профиль.
На форму отверстия в поперечном сечении влияет точность вращения шпинделя в опорах. В данном станке радиальное биение шпинделя не превышает 2 мкм. Кроме того, на работоспособность расточной головки влияют точность установки детали в приспособлении и погрешность траектории движения головки. Непарал-лельность базовой плоскости приспособления и направляющих расточной головки, которая по нормативам составляет 18 мкм на 140 мм хода головки, и зазоры в фиксирующих пальцах влияют на точность положения заготовки относительно расточного шпинделя.
При образовании профиля отверстия наиболее ответственной частью являются направляющие. Погрешность траектории движения головки по направляющим будет влиять на погрешности пространственного положения обрабатываемого отверстия.
При оценке влияния износа отдельных сопряжений на выходные параметры станка следует иметь в виду, что, во-первых, имеется несколько выходных параметров (точность обработки диаметрального размера, размера по длине, точность формы и др.) и, во-вторых, ряд погрешностей, возникающих при износе, может быть компенсирован настройкой положения резца или регулировкой механизмов. Исследования данного станка были проведены под руководством автора канд. техн, наук Б. М. Дмитриевым.
4.	Расчет влияния износа сопряжений на точность станка. Рассмотрим влияние износа сопряжений на точность станка на гримере образования погрешности дна кармана Дк при обработке фасонного профиля в режиме копирования. Погрешность обра-(отки в случае увеличения диаметра обработанного отверстия будем считать +ДК, а при его уменьшении —Дк (рис. 122, а).
Погрешность дна кармана возникнет в результате износа следующих сопряжений (см. рис. 121): направляющих цилиндра следящего привода (У5_е, направляющих шпонки обратной связи б/3_4, направляющих штанги (710_ц и Z712_13 и клиньев подачи плансуппорта (714_1а.
В результате износа направляющих цилиндра следящего привода цилиндр повернется на некоторый угол а5 о* tg а5 = = L, (рис. 122, б) и опустится на величину износа 1/е, где U5 — наибольший износ направляющих цилиндра следящего привода; L' —наибольший ход цилиндра; А —длина направляющих цилиндра; (7е — средняя величина износа цилиндра.
Вместе с цилиндром повернется шпонка обратной связи. Такой дополнительный поворот приведет к тому, что резец переместится не на величину (рис. 122, б), определяемую профилем копира, 372
Рис. 122. Схема для расчета влияния износа сопряжений на погрешность обработки дна кармана
а на величину (6Х — Дк) и карман будет меньше необходимого. Погрешность дна кармана будет иметь следующий вид:
(1)
где — глубина кармана при неизношенных сопряжениях;
•— угол наклона профиля кармана.
373
Влияние опускания цилиндра на величину износа лик. видируется путем настройки резца.
При работе станка будет изнашиваться и шпонка обратной свя. зи совместно с направляющими. В этом сопряжении будет образе, вываться зазор, который влияет на другие параметры фасон, ного профиля, но не скажется на значении Дк. В результате износа подающей штанги и направляющих втулок также происходит изменение размера бх. Влияние износа этих сопряжений носит двойственный характер.
Износ сопряжений U10_11 и U12_13 (рис. 122, в) приводит к опусканию штанги и к ее повороту. Опускание штанги на ве> личину ДК2 вызовет перемещение резца к оси отверстия и карман становится меньше на эту величину. Из схемы видно, что
(2)
Л ___ Л ^Ло-ii — ^12-13
Л|-—61 “ ...........’
где b — расстояние между опорами штанги.
Износ в опорах кроме этого приводит к дополнительному повороту штанги и изменению угла подающего клина на величину Да 14 (рис. 122, в). Данная погрешность приведет к углублению дна кармана на величину
Дк3 — 4-61
tg (ао + arctg —^rU.^2-f3 ) tg^o
(3)
Износ клиньев подачи плансуппорта (t/u-is) изменяет первоначальный угол клиньев aw = a4 на величину Да'{4, которая зависит от износа (У14 (рис. 122, а):
Да'н = arctg	(4)
где с — сумма длины опорной площади и величины хода.
Такой дополнительный угол на клине подачи приводит к образованию погрешности Дк< в виде углубления дна кармана на величину
(5)
L ig «о	J
Результирующая погрешность обработки дна кармана будет алгебраической суммой составляющих величин Дк от погрешности каждого сопряжения. Поскольку приращение углов от износа является малой величиной, примем a tga. Погрешность обработки дна кармана может быть представлена в следующем виде:
374
Таким образом, получена зависимость выходного параметра изделия X = Дк (точность обработки) от износа отдельных элементов системы. Для дальнейшего анализа более удобно привести эту зависимость к виду, когда Дк является функцией одного аргумента — износа одного из сопряжений U. Для этого определяется соотношение скоростей изнашивания отдельных звеньев и выражается их износ через износ одного из звеньев.
Хотя величины износов сильно зависят от режимов работы машины, их соотношение сохраняет более стабильный характер, поскольку увеличение или уменьшение передаваемых нагрузок при изменении режима работы машины одинаково сказывается на изменении интенсивности изнашивания всех звеньев системы, передающих нагрузку.
Рассмотрим методический подход к решению данной задачи, считая, что скорость изнашивания пропорциональна нагрузке и скорости относительного скольжения и определяется твердостью материала по зависимости, полученной проф. М. М. Хрущовым [см. формулу (11) гл. 5]. Кинематический и силовой расчеты данного механизма показали, что скорости скольжения в сопряжениях незначительно отличаются друг от друга, а основное влияние на соотношение скоростей изнашивания оказывают удельные давления и применяемые материалы. Исходные данные для расчета приведены в табл. 26.
Таблица 26 Характеристики пар трения механизмов станка
Износ	Материал	Твердость НВ	Среднее давление р, МПа	Соотношение износов
^8	Ст45 СЧ21-40	400 200	2	0,02£/14
^10 И ^12 ^11 и U13	Ст40Х Чугун 4М-18	500 200	14 (передняя опора) 10 (задняя опора)	0,22£/14 0,166/14
^15	Ст40Х Ст40Х	350 400	6,5	Uli
Приводя все износы к износу подающего клина (У14 = U Для угла кармана с наклоном а0 = 20°, выражение (6) станет функцией одного агрумента U. В рассматриваемом диапазоне значений Дк эта зависимость близка к линейной. Отбрасывая член, имеющий второй порядок малости, и, подставляя значения геометрических параметров (с, Ь, а14), получим упрощенное выражение
А» = 0,1 \U.	(7)
Поскольку наиболее часто встречающаяся глубина кармана б! (рис. 122, а) составляет 5 мм, получим
\=0,5t/.	(8)
375
Данная функциональная зависимость может служить основой для прогнозирования потери точности агрегатным расточным станком при износе, т. е. оценки его параметрической надежности.
5.	Прогнозирование потери точности обработки при износе сопряжений станка. Для прогнозирования потери точности станком применительно к параметру X = Дк построим зависимость по рассмотренной в гл. 3, п. 1 методике. При постоянной скорости изнашивания U = yt зависимость (8) также будет линейной во времени
Дк = 0,5у/.	(9)
При регламентации значения Лк = Дктах можно оценить ресурс машины t = Тр по данному параметру Дк согласно схемам, рассмотренным выше (см. гл. 3):
Т, = 2,0а?1'	(10)
Расчетное значение скорости изнашивания должно выбираться исходя из требуемого значения вероятности безотказной работы Р (/), например по методике, изложенной в гл. 3, п. 2.
Допустимое значение Дк должно учитывать, что погрешность обработки зависит и от других факторов, и расчетное значение Дк должно включать израсходование запаса надежности только по износу.
Допуск на обработку дна кармана по техническим условиям (2-й класс точности) равен б = 27 мкм. Погрешности, связанные с начальной точностью станка, его температурными деформациями, жесткостью, износом инструмента, точностью приспособлений и другими факторами, по проведенным исследованиям [193 J доходят до 20 мкм. Следовательно, запас на износ составляет Дктах = = 7 мкм. Потеря точности зависит от скорости изнашивания и ее дисперсии. Если принять, что для данного случая скорость изнашивания должна находиться в пределах 5-го класса износостойкости (см. табл. 21), т. е. не превосходить у < 1,6* 10"8 мкм/ч, то при у = const ресурс по формуле (10) будет
ГР= МГТо^8700 ч-
Это составляет 2,5—3 года работы станка при эксплуатации в две смены. Вероятность безотказной работы за этот период будет соответствовать вероятности выхода скорости изнашивания за пределы 5-го класса износостойкости. Построение этих соотношений показано на рис. 123. При линейных зависимостях обычно нет необходимости в графических изображениях, однако при нелинейном изменении у или при наличии экспериментальных данных о значениях у этот метод весьма удобен. Так, во многих слу-376
Рис. 123. Оценка ресурса станка в зависимости от скорости изнашивания сопряжений
чаях необходимо учесть период приработки, когда износ изменяется нелинейно во времени (см. гл. 8, п. 3). В рассматриваемом случае, когда начальные погрешности занимают значительную долю при обеспечении точности выходного параметра, период макроприработки, связанный с неполным начальным прилеганием поверхностей, может быть весьма длительным. По расчетам он будет занимать
до 3000 ч, и за этот период износ будет в 2 раза больше, чем для установившегося износа (см. гл. 8, п. 3). Этот случай показан на рис. 123, из которого видно, что ресурс при этом значительно ниже (Гр = 5700 ч), а изменение параметра Дк во времени в первый период нелинейно.
Для полного расчета и прогнозирования параметрической на-
дежности станка необходимо провести аналогичные расчеты для
всех основных параметров машины и определить ресурс по каждому из них; наименьший и будет являться ресурсом всего станка. Для определения вероятности безотказной работы надо оценить
вероятность выхода скорости изнашивания за пределы допуска (или задать данное значение), и при независимости выходных параметров определить Р (t) по теореме умножения при t = Тр.
Прогнозирование процесса изменения выходных параметров машины при ее износе, проведенное на стадии проектирования или при наличии опытного образца, позволит наметить мероприятия для создания изделия с требуемыми показателями надежности
при минимальных затратах времени и средств.
Так, из рассмотренного примера расчета ресурса видно, что основное внимание для повышения параметрической надежности следует уделить повышению жесткости, начальной геометрической точности и уменьшению тепловых деформаций станка, которые занимают в балансе точности значительную долю. При уменьшении начальных погрешностей и ужесточении требований к выходным параметрам станка вновь станет вопрос о необходимости повышения износостойкости его сопряжений. Кроме того, если данный класс износостойкости не будет обеспечен условиями эксплуатации станка, то расчетные показатели надежности соответственно изменят свое значение.
377
3. Расчет и прогнозирование износа машин с учетом макроприработки
1.	Макроприработка — основная причина нелинейности процесса изнашивания. Первый период протекания износа сопряжений машины, как правило, характеризуется его нелинейным изменением во времени. Соответственно нелинейный характер будет иметь и изменение во времени выходного параметра изделия, что необходимо учитывать при расчете и прогнозировании надежности. Такое протекание износа является следствием процесса приработки сопряжений, который вызван изменением начальной шероховатости поверхностей (процесс микроприработки) и увеличением реальной площади контакта сопряженных поверхностей (процесс макроприработки). С точки зрения микрогеометрии процесс приработки заканчивается установлением оптимального значения шероховатости (см. рис. 74).
Однако с точки зрения макрогеометрии сопряженных поверхностей процесс приработки закончится лишь тогда, когда при изнашивании не будет происходить приращения площади контакта за счет более тесного касания поверхностей. Макроприработка — это процесс изнашивания, при котором происходит изменение во времени номинальной площади контакта поверхностей трения.
Начальное касание не по всей номинальной поверхности происходит за счет неточности формы сопряженных тел, их неточной начальной установки и деформации.
На рис. 124 приведена классификация основных причин, вызывающих макроприработку, от которых в основном и зависит нелинейность процесса изнашивания в первый, иногда весьма длительный период эксплуатации изделия [159].
Прежде всего макроприработка связана с неточностью изготовления, когда площадь контакта в начале работы изделия меньше номинальной и в процессе изнашивания происходит ее
Рис. 124. Классификация причин возникновения макроприработки
378
увеличение. Сюда относятся неточности формы, погрешности сборки, несовпадение поверхностей сопряженных тел из-за наличия зазоров, волнистость поверхностей. Так, например, при расчете износа сопряжения вал—подшипник скольжения (см. гл. 6, п. 2)рассматривался по существу период макроприработки, поскольку происходило постепенное увеличение угла контакта вала с подшипником.
Другой причиной макроприработки является деформация контактирующих тел при действии нагрузок, тепловых полей или перераспределения внутренних напряжений. В результате полный начальный контакт поверхностей будет нарушен и для его восстановления потребуется определенный период времени. При этом колебание нагрузок и тепловых полей может привести к нестационарному процессу изнашивания, когда на протяжении всего периода эксплуатации будут контактировать то одни, то другие участки поверхностей трения.
Наконец, макроприработка может быть связана с изменением зон контакта при работе сопряжений высших групп (см. рис. 85), например толкателя в виде острия, скользящего по копиру, или направляющих поступательного движения с переменными зонами контакта.
Период приработки, как нежелательное явление, следует сокращать за счет назначения соответствующих допусков на изготовление и монтаж путем рационального выбора конструктивной схемы и размеров сопряжения. Целесообразно также применять обкатку машины в качестве последнего этапа технологического процесса ее изготовления, после чего за счет регулировок ликвидировать последствия начального наиболее интенсивного периода приработки. Для оценки длительности периода приработки и выявления основных факторов, влияющих на него, необходимо иметь соответствующие методы расчета. Рассмотрим типовые случаи расчета периода макроприработки сопряжений.
2.	Макроприработка поступательных пар трения. Рассмотрим расчет периода макроприработки поступательных пар трения на примере плоских направляющих стола (рис. 125). Неполное начальное прилегание направляющих (рис. 125, а) может иметь место из-за деформации стола от нагрузки или из-за тепловых воздействий, а также в результате неточного изготовления. Можно считать, что поверхности остаются плоскими и их отклонение характеризуется углом а. На рис. 125, б показана промежуточная стадия износа, когда в контакте находится участок направляющих а < а0, который возрастает по мере износа. При а = а0 процесс макроприработки закончится.
Рассмотрение области взаимного внедрения и эпюр износов сопряженных тел показывает, что
(/ = t/i_2 = atga и t/n = aotga,	(11)
где Ur_2 — износ сопряжения в процессе макроприработки; Ua — величина приработочного износа.
379
Рис. 125. Схема макроприрабыки поступательных направляющих скольжения
При Ur_2 — Ua — процесс макроприработки закончится.
Давление на поверхности трения зависит от величины износа
где — реакция в направляющих; Zo — длина направляющих ползуна.
Протекание процесса макроприработки зависит от законов изнашивания, которые должны быть написаны в дифференциальной форме, поскольку давление является функцией износа.
Так, при линейной зависимости износа от давления р и скорости v закон изнашивания примет вид
dU = (&! + k2) pv dt.	(13)
Подставляя сюда значения р из (12) и интегрируя, получим
<i4> о
Таким образом, износ нелинейно изменяется во времени, подчиняясь в данном случае зависимости
= <15>
где С — константа, определяемая из (14).
Длительность периода макроприработки tn можно определить из (14) при U = Un = а0 tga, откуда ± a la~ + *
Из формулы видно, что при применении более износостойких материалов (когда коэффициенты износа kr и k2 малы) длительность периода макроприработки возрастает.
380
При нормальном процессе изнашивания, когда происходит полное касание поверхностей, износ на величину U = Ua произойдет за время
j  ___U_n______ tg q/0	q /
(*1 + k2) pv ~~ {kx 4- k2) PyV n’
Отсюда следует, что износ на ту же величину в процессе макро-приработки протекает в 2 раза быстрее, чем при установившемся износе (см. рис. 123).
3.	Макроприработка неточно выполненных и деформированных дисков. На рис. 126 показана схема протекания период! макроприработки на примере деформированного диска. В начальный период контакта (рис. 126, а) нагрузка Р может быть сосредоточена на ограниченной площади и вызывать более интенсивное изнашивание.
По мере износа в контакт вступают все новые участки поверхностей и площадь контакта непрерывно возрастает. Приращение износа сопряжения на величину dU = dUi ф- dU2 вызывает увеличение радиуса зоны контакта на dp. На зависимость между износом и приращением радиуса влияет форма начального зазора между телами 1 и 2. Оценка износа сопряжения для поверхности вращения в условиях полного контакта производится п> формуле (19) гл. 6. Поскольку в период приработки радиус р с течением времени изменяется, эту зависимость представим в дифференциальной форме
dU^k-^-dt,	(17)
где k = kr + k2.
Радиус р изменяется, пока не достигнет максимального значения
Р = R.
Пусть известно уравнение начального зазора у между поверхностями контактирующих тел 1 и 2 (рис. 126, б):
Z/ = m	(18)
Если зазор вызван деформацией одного из тел, то данная функция будет уравнением его упругой линии. Так как в период приработки приращение износа происходит при постепенной ликвидации начального зазора у, то dU = dy, и тогда
dU = F'(p)dp,	(19)
Подставляя это значение в уравнение (17), получим
dt = ^~2рп~® dP-	(2°)
381
a)
Рис. 126. Схема макроприработки деформированных дисков
Для определения длительности периода приработки необходимо проинтегрировать данное уравнение в пределах от г до R
R
(2D
О
или, учитывая, что скорость изнашивания сопряжения в период « Рп
полного контакта дисков	, получим
R
(22)
Г
Из формулы следует, что чем больше износостойкость материалов, т. е. чем меньше скорость их изнашивания у^, тем больше период приработки.
Во многих случаях F (р) выражается степенной функцией
F(p) = c(p-r)m.	(23)
Подставляя значение производной F’ (р) = ст (р — г)«-> в формулу (21) и делая преобразования, получим
<24>
Таким образом, формулы (21) и (24) позволяют определить длительность периода приработки в зависимости от исходных параметров. Если в формулу (24) вместо R подставить р, то получим зависимость между временем t и текущим радиусом р в период 382
приработки. Поскольку в любой момент времени в период приработки соблюдается равенство [см. формулу (19)]
(/ = F(p) = c(p-r)m,	(25)
то из выражений (23) и (24) получим зависимость износа сопряжения в период приработки в функции времени
. .  т
(2б)
Таким образом, в период приработки износ сопряжения в функции времени не подчиняется линейной зависимости. Полученные формулы позволяют решать ряд задач по определению выходных параметров машины с учетом периода макроприработки.
4.	Регламентация периода макроприработки. Период приработки желательно сокращать, так как он характеризуется худшими условиями контакта поверхностей и большей скоростью изнашивания, чем при нормальной работе сопряжения. При прочих равных условиях при применении более износостойких материалов период приработки будет возрастать.
Поэтому ценные качества новых материалов могут быть не использованы в реальных сопряжениях и даже могут привести к отрицательным явлениям, если не принять меры для сокращения периода приработки.
Применение покрытий и антифрикционных материалов с изменяющимися свойствами (например баббитов) способствует сокращению периода приработки. Однако распространение этих методов ограничено. Главный путь — это повышение точности выполнения сопряжений и назначение допусков на точность монтажа и жесткость с учетом износостойкости материалов и заданной длительности периода приработки. Рассмотрим методику назначения допусков на точность и жесткость сопряженных поверхностей на примере изнашивающихся дисков.
Неточность начального контакта сопряженных тел может характеризоваться наибольшим значением зазора у0 (см. рис. 126, б).
Из формулы (25) видно, что
y0 = c(R-r)m,	(27)
Решая уравнения (24) и (25) совместно, получим
„ __ 0й + 1) kPntn (R — 2)т _ tn-j-l kPn / tn(R-r)m+1 “ m R — r
или g учетом формулы для у1_2 получим
г/о = -^^-Т1-г<п.	(28)
Данный методический подход позволяет решать практические задачи по определению требуемой точности начального касания сопряженных тел.
383
Например, если форма начального зазора подчиняется уравнению параболы (т = 2) и период приработки не должен превосходить tn = 50 ч, а из условий эксплуатации данного сопряжения известно, что скорость изнашивания при полном контакте тел составляет в среднем = 10"4 мм/ч, то допустимое значение уй, подсчитанное по формуле (28), будет равно
yQ =	10"4-50 = 7,5 мкм.
Таким образом, даже для сравнительно большой скорости изнашивания материалов (это 9-й класс по табл. 21) получен весьма строгий допуск на зазор. Несоблюдение этого допуска приведет к удлинению периода макроприработки и, следовательно, к ухудшению эксплуатационных параметров машины. Поэтому методика расчета периода приработки неточно выполненных и деформированных тел необходима для решения ряда инженерных задач при проектировании долговечных машин и прогнозировании их надежности.
5.	Прогнозирование надежности с учетом макроприработки. При расчете и прогнозировании надежности машин необходимо учитывать период макроприработки, который может оказать существенное влияние на оценку надежности. На рис. 127 показана схема потери изделием работоспособности по параметру X, зависящему от износа X == kU при наличии и отсутствии периода макроприработки. Отсутствие периода макроприработки достигается сведением к минимуму допусков на точность изготовления и монтажа и введением обкатки в технологический процесс изготовления изделия. Период макроприработки может также просто не учитываться при расчете.
Сравнение кривых распределения сроков службы для обоих случаев показывает, что расхождение в оценке вероятности безотказной работы за данный период t = Тр может быть весьма значительным. Так, если ресурс принят равным — Ть то для изделия с периодом приработки Р (/) —> 0 и оно не сможет проработать указанное время. Если значение вероятности безотказной работы Р (/) регламентировано, то назначенный ресурс изделия должен быть снижен до значения Т2. Таким образом, имеет место существенное отличие в оценке ресурса изделия с учетом периода приработки 7\	Т2. Значение ДТ, указанное на схеме (рис. 127),
соответствует потере в ресурсе за счет макроприработки изделия. Поэтому при расчетах необходимо учитывать период макроприработки, чтобы избежать больших погрешностей в оценке надежности. При оценке влияния на износ периода макроприработки можно выделить три основных случая (рис. 128). Если макроприработка занимает незначительный период времени (рис. 128, а), то его можно свести к минимуму за счет введения обкатки как последней стадии технологического процесса. Практически обычно достаточно, чтобы длительность обкатки to6 была равна /об = 384
« (0,74-0,8) tn. После обкатки необходимо произвести регулировку машины, ликвидировать возникшие зазоры, проверить точность функционирования.
В результате этих мероприятий можно считать, что в процессе эксплуатации период приработки не проявляется и будет линейная зависимость данной реализации износа во времени. Графи-
13 Проников А. С.
385
Если период макроприработки занимает значительный период эксплуатации изделия, однако всегда заканчивается до достижения изделием предельного состояния (рис. 128, б), то для расчетов надо использовать линейный участок кривой износа, т. е. период установившегося износа. Его уравнение будет
=	(29)
где Uо — отрезок, отсекаемый линейным участком износа на оси U\ У1_2 — скорость изнашивания при установившемся процессе. Из схемы видно, что поскольку == tga,
^0 =	Т1-2^п«	" (30)
Значение Un для данного экземпляра машины является величиной неслучайной, поскольку зависит от начальной геометрии сопряжений, в то время как второй член формулы (30) является случайной величиной. Дисперсия нагрузок, скоростей, условий изнашивания ведет также к дисперсии значений tn и У1_2, а следовательно, и к дисперсии UQ.
Поэтому формула (29) выражает зависимость, аналогичную рассмотренной в гл. 3, п. 2 с той особенностью, что при оценке рассеивания начальных параметров изделия следует учесть и дисперсию Z70, вносимую периодом макроприработки.
В этом случае при расчетах надежности применяем линейную зависимость износа от времени, а период макроприработки учитывается в составе начальных параметров изделия.
Если период макроприработки продолжается длительное время и может достигать значений Un — Umax (рис. 128, в), нельзя использовать только линейный участок кривой, а необходимо учитывать, что кривая износа описывается двумя участками — например, степенной функцией типа (26) и линейным участком.
Однако во многих случаях, учитывая близость ветви параболы к линейному закону при изменении t в пределах /п < t < Тр (где Тр — ресурс изделия, когда U = Umax), можно ограничиться одним уравнением U = f (/), описывающим участок приработки. В этом случае для прогнозирования надежности можно использовать формулу (32) гл. 3.
4. Оценка изменения динамических параметров машины при ее износе
1.	Влияние износа на динамические характеристики машин. Рассмотренный в гл. 8, п. 2 пример оценки изменения выходных параметров станка при износе его сопряжений показал возможность установления непосредственной связи износа с параметрами точности обработки. При этом функциональные зависимости, связывающие износ сопряжения с погрешностью обработки, были получены в основном из рассмотрения геометрических соотноше-386
ний, поскольку выходные параметры изделия также оценивались геометрическим отклонением траектории ведомого звена (инструмента) от заданной.
Более сложные взаимосвязи между износом изделия и его выходными параметрами, как правило, возникают при рассмотрении изменения динамических параметров системы — нагрузок, деформаций, изменения законов перемещения ведомого звена в результате возрастания инерционных и ударных нагрузок, изменения термодинамических характеристик и др.
Следует подчеркнуть, что иногда для изделий, подверженных большим динамическим нагрузкам (приводной механизм бойка ковочных молотов, шасси самолетов, боевой механизм ткацких станков), считают, что их износ имеет второстепенное значение, поскольку работоспособность определяется прочностью наиболее нагруженных деталей. При этом эксплуатационные наблюдения подтверждают, что отказы функционирования происходят из-за поломок (в том числе усталостных) деталей этих механизмов.
Однако более тщательный анализ работоспособности тяжело нагруженных механических систем показывает, что износ их сопряжений играет, как правило, существенную роль при оценке надежности, так как приводит к возрастанию динамических нагрузок и интенсифицирует процесс разрушения.
Установление зависимости между износом сопряжений и динамическими параметрами машины является важной задачей, так как позволяет прогнозировать как ее параметрическую надежность, так и отказы, связанные с функционированием.
В качестве примера влияния износа на динамические параметры машины на рис. 129 приведены результаты исследования много-шпиндельных токарных автоматов, проведенного канд. техн, наук Е. Г. Нахапетяном.
Основное влияние на изменение крутящего момента на распределительном валу при холостом ходе автомата оказывает мальтийский механизм (рис. 129, а), который через поводок 1 производит поворот мальтийского креста 2 и через зубчатое зацепление — шпиндельного барабана 3.
Рис. 129. Влияние износа механизма поворота блока многошпиндель-^ но го автомата на его динамические характеристики
13*
387
Рис. 130. Влияние износа шатунных подшипников автомобильного двигателя ЗИЛ-130 на его вибрацию: Д — зазор; а —• виброускорения
Осциллограмма крутящего момента на распределительном валу, записанная у нового автомата, после его работы в течение одного года и двух лет, имеет разный характер (рис. 129, б). При эксплуатации автомата износ (макроприработка) опор барабана приводит к снижению максимального значения крутящего момента Мтах, однако износ планок мальтийского креста (рис. 129, в) резко увеличивает отрицательные нагрузки Л4тш. В результате характер и значения крутящего момента в течение цикла изменяются, растут реактивные моменты, начинает более
интенсивно изнашиваться обратная планка креста и возникает необходимость ремонта этого основного узла автомата.
Во многих машинах влияние износа на динамические характеристики имеет сложный характер, поскольку рост зазоров, изменение характера трения в парах и их демпфирующей способности, возрастание нагрузок и другие последствия износа приводят к искажению начальных показателей динамической системы машины. Например, в результате износа машина может оказаться в резонансной зоне с резким повышением нагрузок, а при больших значениях износа вновь выйти из этой области и т. п.
В качестве примера можно указать на исследования, посвященные изучению влияния зазоров в шатунных подшипниках автомобильного двигателя ЗИЛ-130 на его вибрацию (по данным канд. техн, наук Э. С. Финкельштейна [208]).
Исследование вибрации двигателя проводилось с помощью виброакустической аппаратуры. Вибрация измерялась по трем главным направлениям: вдоль оси коленчатого вала х, оси цилиндра г и в плоскости разъема картера блока — у. Исследования показали, что с увеличением (в результате износа) зазора в шатунных подшипниках происходит монотонное повышение вибрации по всем исследуемым направлениям, достигая своего первого максимума при зазоре, равном 0,25 мм (рис. 130). Дальнейшее увеличение зазора в шатунных подшипниках характеризовалось 388
понижением уровня вибрации с последующей стабилизацией до зазора, равного 0,39 мм. Второе резкое повышение вибрации произошло при зазоре, равном 0,46 мм. Повышение вибраций сопровождалось усиленным износом шатунных шеек и выкрашиванием вкладышей.
В первой резонансной зоне, которая соответствует зазору 0,25 мм, был зарегистрирован интенсивный износ шатунных шеек, в то время как в зоне второго максимума (зазор 0,46 мм) скорость изнашивания была незначительной. Однако при таком зазоре появились очаги выкрашивания антифрикционного слоя вкладышей. Работа двигателя при этом зазоре сопровождалась резкими стуками.
Повышенный износ шатунных шеек при зазоре, равном 0,25 мм, объясняется возникновением кавитационного эффекта, под действием которого возможно нарушение гидродинамического режима смазки в подшипнике и разрушение масляной пленки.
Возникновение генерации высокочастотных колебаний в зоне шатунного подшипника — это результат отрыва поверхности вкладыша от постели нижней головки шатуна, сопровождавшийся ударами. Таким образом, износ основных сопряжений машины оказывал непосредственное влияние на ее динамические параметры, что характерно для энергетически нагруженных систем.
Как известно, наиболее полный анализ динамических процессов, протекающих в машине при ее работе, будет достигнут при рассмотрении случайных внешних воздействий и случайных начальных состояний системы [177]. При этом динамические характеристики механических систем будут являться критерием оценки работоспособности машины и ее механизмов. Однако при износе машины постепенно изменяются такие характеристики упругой систёмы как жесткость, демпфирующая способность, зазоры. Поэтому при том же внешнем спектре случайных нагрузок изношенная машина будет обладать уже иными динамическими характеристиками, в результате чего она может стать неработоспособной.
Особенно сложный характер взаимосвязей износа и динамических характеристик будет иметь место для систем автоматического регулирования, когда наличие обратных связей и возможность саморегулирования накладывают дополнительные условия на характер изменения выходных параметров. Здесь для анализа следует привлекать общие уравнения динамики, описывающие состояние системы и уравнения для переходных процессов при автоматическом регулировании.
Рассмотрим методический подход к оценке изменения динамических параметров изделия на примере специального привода с системой автоматического регулирования по исследованиям,, проведенным под руководством автора инж. Ю. П. Анисимовым.
2.	Привод с автоматическим регулированием как объект ана-лиза£ Рассматриваемый электромеханический привод предназна-
389
1 2
5	4	5
6	7
Рис. 131. Схема привода с системой автоматического регулирования
чен для перемещения и фиксации ведомого звена в том положении, которое диктуется системой управления. Приводы такого типа могут применяться в самых разнообразных машинах, например в качестве автопилота, для управления процессом обработки сложных профилей в металлорежущем станке, для промышленных манипуляторов и роботов.
Сигнал управления qy (рис. 131) представляет собой ошибку рассогласования между сигналом команды qK (заданный закон перемещения) и сигналом обратной связи qo6t получаемого о г потенциометра системы.
Сигналы управления поступают на вход электронного усилителя, в котором они усиливаются и преобразуются в импульсные напряжения. Напряжение подается на соленоиды, которые управляют распределением движения в приводе. Привод состоит из электродвигателя ЭД, который через систему зубчатых колес передает движение ведомому звену-барабану 8. Барабан по команде от системы управления отклоняется на заданный угол ср.
Электродвигатель вращается непрерывно и может передавать ведомому звену движение в одном направлении через зубчатые колеса 3, 6, 9 и дифференциал 10 или в обратном, через колеса 14, 11 и дифференциал 10.
В каждой цепи имеется муфта и тормоз, включение которых производится от соленоидов. Если рабочий соленоид 1 выключен (на него не подается импульс напряжения), то тормозной соле-390
ноид 2 (который всегда находится под напряжением) через тягу и рычаг 7 прижимает тормозной диск 5 к неподвижной фрикционной поверхности 4, обеспечивая данное положение ведомой части привода (шестерни 6). При подаче импульса на рабочий соленоид 1 он через рычаг и подпятник перемещает зубчатое колесо 3, свободно сидящее на валу, и соединяет его через фрикционную накладку с ведомым валом. Одновременно выводится из зацепления тормозная пара. Аналогично другая пара — фрикционная муфта 13 и тормоз 12 управляются от соленоидов 15 и 16 при передаче движения в другом направлении.
Привод может работать в импульсном режиме, когда производится периодическая подналадка положения ведомого звена (барабана) 8 и в режиме непрерывного перемещения по закону, определяемому сигналом управления.
3.	Анализ работоспособности электромеханического привода. Данный привод должен обеспечивать следующие основные выходные параметры, для которых в ТУ на изделие установлены допустимые пределы отклонения: непрерывная угловая скорость барабана — Xi = со, 1/с; средняя импульсная скорость барабана — Х2 = сои, 1/с; рабочий момент на барабане — Х3 = Мр, Н-м; тормозное усилие на барабане — Х4 = Рт, Н; запаздывание при повороте барабана — Х5 = т, мс.
Для обеспечения этих выходных параметров механизмы и агрегаты системы должны обладать определенными рабочими характеристиками, например быстродействием срабатывания муфт, возможностью передавать необходимый крутящий момент и др.
Эти характеристики отдельных механизмов (подсистем) изделия YУ2; ..., Yn являются входными параметрами для данного показателя (выходного параметра) системы Xz.
Для анализа надежности системы выделим те составляющие входного параметра У, изменение которых повлияет на выходные характеристики изделия. Через у с соответствующими индексами, показывающими, какой узел (a, b, с, d), на какой параметр (1, ..., 5) оказывает влияние, будем обозначать изменение входных параметров от различных процессов и в первую очередь от износа. Таким образом, значение у (t) является функцией времени.
Разобьем изделие на следующие основные подсистемы:
1)	электродвигатель (Уа); уа1 = уа2 = Асод, 1/с — изменение скорости электродвигателя; уа3 == АЛ4Д, Н-м — изменение момента развиваемого двигателем;
2)	рабочая муфта (Уь); уЬ1 = Асор — потеря скорости в рабочей муфте при ее непрерывной работе; yb2 = А<ори, — потеря скорости в рабочей муфте при импульсном режиме работы; уьз = == А/Ир, Н-м—изменение крутящего момента, передаваемого рабочей муфтой;
3)	тормозная муфта (Ус); ус2 = А(оти— среднее значение изменения скорости торможения при каждом импульсе; #с4 =
391
Рис. 132. Структурная схема параметрической надежности привода
= ДЛ4Т, Н*м — изменение крутящего момента, передаваемого тормозной муфтой;
4)	редуктор (Yd\, Улг—А^и—среднее значение потери скорости в редукторе при импульсной работе; yd3 = ДМред — изменение передаваемого редуктором крутящего момента.
Структурная схема параметрической надежности данного привода приведена на рис. 132, где указаны перечисленные выше взаимосвязи. Для оценки степени влияния на выходной параметр изделия соответствующих изменений входных параметров необходимо учесть передаточное число ik между данным элементом и ведомым звеном.
Если считать входные параметры независимыми, то в общем виде изменение данного параметра во времени выразится как
Х(0-Х(0)+ Е yk(t)ik,	(31)
А=1
где X (0) — начальное значение выходного параметра у неизношенного механизма (при t = 0); yk (/) — изменение (со своим знаком) входного параметра, зависящее от повреждения и в первую очередь от износа отдельных элементов системы.
Исследование работоспособности данного привода показывает, что отказы связаны с разнообразными процессами повреждения, протекающими при работе привода. При этом отказы функционирования зависят в основном от повреждений в системах управления и электропитания (например, остановка электродвигателя при обрыве провода), а параметрические отказы вызываются повреждением электромеханической части привода. Так, износ подшипников, щеток и коллектора электродвигателя уменьшает его крутящий момент, износ втулок и плунжеров соленоидов увеличивает время включения муфт, износ и засаливание фрикционных 392
поверхностей дисков уменьшает тяговый или тормозной моменты и увеличивает время включения, износ зубьев привода вызывает динамические явления (крутильные колебания) в приводе и т. п.
Для прогнозирования потери приводом начальных параметров необходимо найти зависимости, описывающие их изменения при износе и оценить динамические процессы, происходящие в приводе с измененными характеристиками.
4. Оценка выходных параметров изношенного привода. Рассмотрим влияние износа на выходные параметры привода на примере параметра Х2 = сои — средней импульсной скорости барабана.
Согласно схеме на рис. 132 можно написать следующее уравнение, отражающее взаимосвязь входных "и выходных параметров:
X2 (/) = X (0) — [Уа^а + УьЖ) + Ус^с +	(32)
где ia, ib, ic и id — передаточные отношения соответственно между двигателем, рабочей муфтой, тормозной муфтой, редуктором и ведомым звеном (барабаном). Эта формула является расшифровкой формулы (31) для параметра Х2.
Рассмотрим как влияет на каждый из параметров у, входящих в данную зависимость, износ отдельных элементов привода. Потеря скорости электродвигателем уа2 = Д(дд зависит не только от колебания электрических параметров, но и от износа подшипников.
Действительно, запишем зависимость для скорости электродвигателя
= <33)
где и — напряжение питания; /я — ток в цепи якоря; R* — сопротивление цепи якоря; Кэ — конструктивный параметр (коэффициент) электродвигателя; Ф — магнитный поток возбуждения.
Магнитный поток возбуждения прямо пропорционален магнитной проводимости р, которая зависит от величины зазора между якорем и полюсными выступами. Данный зазор изменяется при износе подшипников UB ротора: р = р (Un) = р (/). Поэтому параметр уа2 также будет функцией времени
!/о2 = т0[<йд(0) —<Од(()| = Лто[|1(О) —ц(0],	_	(31)
где А — коэффициент; т0 — относительная продолжительность импульса,
ти — продолжительность импульса; тп — продолжительность паузы при работе двигателя в импульсном режиме.
393
Рис. 133. Схема отработки импульса в муфте привода:
ис — импульсное напряжение на соленоиде; Рс — тяговое усилие соленоида; М — момент и со — угловая скорость ра-бочей муфты; — угол поворота барабана; t — время
Потеря скорости в рабочей муфте при импульсном режиме работы, т. е. параметр уЬ2= сори, зависит от динамики работы муфты при отработке каждого импульса.
Для определения среднего значения скорости сори находим угол поворота ведомых частей муфты срри за время одного импульса:
фри=фр + фо + фт.	(36)
где указаны углы за период разгона муфты фр, поворота с постоянной скоростью ф0 и торможения фт. Отработка каждого импульса достаточно сложный процесс (рис. 133), который связан с работоспособностью отдельных элементов изделия. Исходным является сигнал импульсного напряжения на соленоиде ис, который подается системой управления. Однако при восприятии команды ведомым звеном (барабаном) происходит потеря угла поворота и соответственно средней импульсной скорости, причем эта потеря зависит от степени износа механизмов системы. На рис. 133 показаны основные составляющие процессы формирования импульсного поворота барабана. На конечный результат влияют: запаздывание в рабочем соленоиде ту, которое зависит от износа и коэффициента трения в его направляющих; запаздывание, связанное со смыканием муфты т2; апериодическое запаздывание в рабочей муфте т3, связанное с характером роста рабочего момента в муфте Мр, необходимого для преодоления момента сопротивления Мс. Время т3 зависит от состояния фрикционных поверхностей муфты. На процесс передачи скорости барабану влияет также запаздывание т4 в передачах после муфты, что связано с износом зубчатых передач. На суммарное запаздывание при торможении т7 влияет время т5 при отключении рабочей муфты и время т6 — при действии тормоза. Указанные составляющие могут быть рассчитаны на основании рассмотрения процесса торможения и разгона фрикционных муфт с учетом динамики привода. Однако в настоящее время более надежен путь экспериментального исследования этих параметров.
Значение параметра уа2 = Дсоти, отражающего изменение скорости при торможении, также находится из рассмотренной схемы отработки импульса.
394
Запаздывание в редукторе yd2 = Дсори зависит от зазоров в зубчатых парах, которые возрастают при износе передач. Таким образом, все основные составляющие параметра Х2 зависят от износа системы и изменяются во времени. Их оценка на этапе проектирования или отработки опытного образца является предметом специальных исследований на базе изложенного общего методического подхода.
5. Экспериментальная оценка надежности системы. При анализе систем с автоматическим управлением и экспериментальной оценке их параметрической надежности с учетом износа необходимо определять динамические параметры системы для двух ее состояний — исходного и с заданным значением износа отдельных элементов. Происходящие изменения выходных параметров следует выразить в функции износа или времени.
Экспериментальная оценка скорости изменения выходных параметров, как это было сказано выше, — наиболее достоверный в настоящее время путь для расчета надежности сложных систем. Однако это исследование должно сопровождаться теоретическим анализом основных зависимостей аналогично рассмотренной выше методике. В этом случае можно получить данные не только об изучаемом конкретном экземпляре изделия, но и сделать выводы о работоспособности рассматриваемых систем. Учитывая малую скорость протекания процессов изнашивания, испытание целесообразно дополнять математическим моделированием процесса, которое позволит оценить работоспособность изделия при различных условиях и режимах эксплуатации, а также проверить его работоспособность при применении материалов различной износостойкости.
Результаты исследований для рассматриваемого привода представлены на рис. 134. Испытания показали, что рассеивание пара-
Рис. 134. Изменение параметров привода во времени: а ь=- для <ои; б — для Afp; в — для т
393
метров подчиняется нормальному закону распределения, а их изменение во времени близко к линейному закону. Определение математического ожидания и среднеквадратического отклонения процесса получено для параметров Х2 = сои; Х3 = Мр и Х5 = т (рис. 134, а, б и в). На графиках показано значение математического ожидания Мо соответствующего параметра в начальный период работы системы, приведены также границы для шестисигмовых зон (а = 3) и предельно допустимые по ТУ значения параметров (A4pmln, соит1п и ттах)« Рассеивание значений параметров в процессе эксплуатации зависит от рассеивания их начальных значений и рассеивания скорости процесса согласно моделям отказов, рассмотренным в гл. 3, п. 2. На графиках указаны значения ресурса по каждому из параметров, для Р (t) — 0,999 (шести-c. игмовая зона). Лимитирующим в балансе надежности является рост запаздывания при износе муфт и их механизмов включения. Если предусмотреть регулировки для уменьшения зазоров, влияющих на запаздывание, то работоспособность механизма включения будет периодически восстанавливаться. Изучение изменений динамических параметров изделий в процессе их эксплуатации является сложной задачей и находится в настоящее время в стадии разработок.
5. Основные методы повышения износостойкости машин
1.	Выбор рациональной конструкции механизма.. Износ является одной из основных причин снижения работоспособности машин при их эксплуатации. Даже в тех случаях, когда считается, что высокие требования к выходным параметрам машины не допускают износа ее элементов, именно боязнь проявления износа регламентирует ресурс изделия.
При проектировании машины требования к ее эффективности, размерам, стоимости и простоте конструкции приводят к тому, что многие узлы трения работают в напряженных условиях и подвержены износу. Как правило, в любой машине имеются сопряжения с различными требованиями к выходным параметрам и соответственно имеющие разные допустимые значения для износа. Опыт эксплуатации вносит свои коррективы в предварительные суждения об износостойкости машины. Для любой машины повышение износостойкости, как правило, весьма актуально, особенно, если это достигнуто без существенного ее удорожания.
Конечно, конструктор всегда имеет достаточно методов и средств для повышения износостойкости сопряжений, такие как смазка поверхностей (см. гл. 5, п. 3), применение износостойких материалов (см. гл. 5, п. 5), различные виды термообработки, нанесение на поверхность специальных рельефов или покрытий, изоляция поверхностей трения от попадания абразива и применение уплотнений для удержания смазки [87 ] и т. д. Однако и в выборе рациональных конструктивных решений заложены не меньшие 396
Рис. 135. Схема износа опор шпинделя и зажимного патрона сверлильного автомата
возможности по повышению износостойкости изделий, причем часто это не удорожает изделия. Можно привести много примеров, когда из-за отсутствия методов расчета износа поверхностей и анализа изменения выходных параметров в результате износа не вскрываются резервы конструкции по повышению ее износостойкости. Ниже рассмотрены основные методы повышения износостойкости машин, связанные с конструкцией их механизмов и пар трения.
Выбор рациональной конструктивной схемы механизма, при которой износ сопряжений наименьшим образом влияет на выходные параметры изделия, является общим условием проектирования долговечных машин.
Величина износа сопряжения еще не характеризует степень нарушения нормальной работы механизма. При одних и тех же износах аналогичные механизмы могут в одном случае перестать правильно функционировать, а в другом — работать еще продолжительное время.
В качестве примера (рис. 135) рассмотрим работу сверлильного шпинделя 1 при износе его подшипников 4 и зажимных губок 3, удерживающих деталь 2 в процессе обработки.
По мере износа указанных сопряжений будет происходить смещение оси обрабатываемого отверстия на некоторую величину А, предельное значение которой зависит от требуемой точности обработки.
Если износ подшипников U2 (направление которого зависит от направления силы Р2 на приводном шкиве) и износ неподвижной губки зажима будут направлены в разные стороны, то А = U г + U 2.
Если направления их износа совпадут, то А — Ur — U2 и срок службы намного увеличивается. Поэтому в представленной конструкции подвижную губку следует поместить с противоположной стороны. Правильный выбор конструктивной схемы может обеспечить значительное повышение долговечности механизма.
При выборе конструкции пар трения часто применяют принцип самоустановки сопряженных поверхностей.
Применение самоустановки обеспечивает более надежную и долговечную работу тех пар, в которых требуется особо точное прилегание сопряженных поверхностей, а также способствует
397
Рис. 136. Схема приработки и самоустановки пары вал—
подшипник
сокращению периода макроприработки. На рис. 136 приведена схема макроприработки вала в подшипнике скольжения. Из-за деформации вала (которая показана утрированно), а также неточной начальной установки подшипника его касание происходит в ограниченной зоне, что вызывает повышенные кромочные давления. Если это не приведет к заеданию вала, то по мере изнашивания площадь контакта будет возрастать и удельные давления уменьшаться. Вал будет прирабатываться к подшипнику, обеспечивая более правильное касание сопряженных поверхностей.
Сокращения периода макроприработки можно достигнуть не только путем точного монтажа, повышения жесткости вала и точной обработки сопряженных поверхностей, но и путем создания конструкций, способных обеспечить самоустановку сопряженных поверхностей. Так, если подшипник состоит из отдельных вкладышей, которые могут поворачиваться и самоустанавливаться в зависимости от положения вала (см. схему правой опоры на рис. 136), то кромочные давления не возникают и период макроприработки сокращается.
Принцип самоустановки широко применяется в специальных конструкциях подшипников скольжения и в других сопряжениях машин. Например, сочленение поршня с шатуном в двигателях внутреннего сгорания осуществляется обычно при помощи плавающего поршневого пальца, который обеспечивает свободу поворота поршня относительно шатуна. В двигателях воздушного охлаждения применяют самоустанавливающееся (плавающее) седло клапана, что позволяет обеспечить правильность прилегания пары седло—клапан независимо от деформации конструкции при ее нагреве.
2.	Уменьшение нагрузок на поверхности трения. Самый простой путь уменьшения давлений на поверхности трения это увеличение ее размера. Однако этот путь связан с возрастанием размеров изделия. Поэтому находят применение различные специальные методы. Один из них — уменьшение усилия в ответственных сопряжениях путем более интенсивной нагрузки менее ответственных элементов.
Например, для повышения срока службы направляющих станка применяют такую конструкцию, при которой вес стола и частично 398
усилия резания воспринимаются специальной подпружиненной тележкой на роликах, а сами направляющие скольжения действительно становятся в основном лишь направляющим, а не несущим элементом.
Разгрузка пар трения качения представляет собой обычно более сложную задачу. Если просто разгрузить, например, направляющие качения, то возникнет опасность, что контактная жесткость будет мала.
Увеличение площади контакта при трении качения связано с отысканием новых конструктивных форм сопряженных тел, когда создаются условия для более тесного касания поверхностей и для увеличения зоны контакта при их деформации. Например, переход от обычных эвольвентных передач к зацеплению Новикова увеличивает зону контакта, что способствует повышению износостойкости и увеличивает несущую способность передачи.
3.	Принцип равномерного износа. Нарушение правильной работы механизмов в результате их износа часто зависит не столько от величины износа, сколько от неравномерности его распределения по поверхности трения. Например, неравномерный износ по длине ходовых винтов приводит к уменьшению точности перемещения узлов, неравномерный износ по профилю кулачковых механизмов искажает характер передаваемого закона движения, неравномерный износ направляющих прямолинейного движения отрицательно сказывается на точности и виброустойчивости станков и т. д.
Расчет параметров направляющих (см. гл. 6, п. 3 и гл. 7, п. 5) позволяет выбрать вариант, обеспечивающий минимальное искажение формы изношенной поверхности при эксплуатации машины (рис. 137, а). Другой пример — влияние на работоспособность механизма неравномерного износа поверхностей — работа кулачковых муфт, передающих крутящий момент от одного вала к другому. При включении полумуфт износ их зубьев Ur и U2 происходит неравномерно (рис. 137, б), так как вершины зубьев проходят больший путь трения. В результате угол наклона поверхности зуба а увеличивается и создается опасность самовыключения муфты, поскольку одна полумуфта прижимается к другой пружиной. Если сделать у муфт заплечики, чтобы вершина зуба заходила за основание сопряженного зуба, износ зубьев станет более равномерным и опасность самовыключения отпадет.
При проектировании основных трущихся элементов машин нужно создать такую конструкцию, при которой возможная неравномерность износа будет наименьшей; тем самым будут созданы условия для более длительного сохранения механизмом его служебных показателей.
4.	Автоматическая компенсация износа. Выше (см. гл. 7, п. 2) говорилось о методах компенсации износа, обеспечивающих более длительный срок службы сопряжений. Наиболее эффективными будут методы автоматической компенсации износа, когда
399
Рис. 137. Принцип равномерного износа.
а износ направляющих; б износ кулачковых муфт
без вмешательства человека происходит восстановление утрачиваемой работоспособности машины.
Как пример рассмотрим автоматическую компенсацию износа направляющих станков и машин, предложенную автором (авторское свидетельство № 130314) [1571.
В основу этого метода положено следующее. В качестве сопряженных материалов для направляющих станины используется износостойкий материал, а для направляющих суппорта — материал, который может обладать и невысокой износостойкостью, но должен не изнашивать направляющих станины.
Для сохранения суппортом начального положения осуществляется автоматическая компенсация износа его направляющих. При этом базой служат либо направляющие станины, которые не изнашиваются и потому сохраняют прямолинейность, либо специальные поверхности или контрольные штифты.
Принципиальная схема автоматической компенсации положения суппорта при износе его направляющих показана на рис. 138, а. Суппорт 8 имеет направляющие в виде пластмассовых вставок 5, помещенных в стаканы 2. При перемещении по направляющим станины /, которые практически не изнашиваются, суппорт изменяет свое начальное положение в результате износа 400
вставок 3. Для контроля за положением суппорта служат штифты 4, которые при опускании воздействуют на датчики (преобразователи) 5. Датчики установлены таким образом, что их мерительные штифты контролируют размеры h, т. е. положение суппорта 8 по отношению к базовой направляющей станины /. При опускании суппорта ниже размера h датчик дает команду и производится автоматическая компенсация износа, при которой пластмассовая вставка 3 выдвигается на небольшую величину. Для этой цели в автокомпенсаторе предусмотрены винт 6 и поршенек 7 или какое-либо иное устройство, обеспечивающее периодическую подачу вставки 3 и восстановление за счет этого положения суппорта. На рис. 138, б приведен пример конструктивного оформления опоры для направляющих стола внутришлифовального станка. Здесь автокомпенсаторы помещены в опорах 5, установленных в станине.
При опускании стола 4 на электроконтактный датчик 9 действует кулачок 8 и через блок 'электроавтоматики 3 подается команда на исполнительный электромагнит 2. Последний при помощи храпового механизма /, червячной 7 и винтовой пар 6 производит подачу пластмассовой вставки, восстанавливая утраченное положение стола. При повороте храповика на один зуб пластмассовая вставка будет подана на 0,005 мм.
Стол станка имеет плоскую и призматическую направляющие, которые устанавливаются на шесть опор — четыре крайние с автоматической компенсацией износа и две средние — подпружинен-
Рис. 138. Автоматическая компенсация износа направляющих: а — общая схема; б — регулируемая опора стола шлифовального станка

401
ные, не допускающие прогиба стола. Все компенсаторы износа (опоры) представляют собой стаканы, закрепленные в расточках станины.
Пластмасса, помещенная в замкнутом объеме, может выдерживать большие нагрузки по сравнению с направляющими в виде прикрепленных пластмассовых пластин. В результате повышается контактная жесткость в сопряжениях и надежно выбираются все зазоры. Чтобы сделать работу системы автокомпенсации надежной, проверка положения стола производится через длительные промежутки времени и занимает несколько минут. В остальное время мерительный штифт каждого датчика отведен от кулачка, а сам датчик отключен.
Включение автоматики сблокировано с кнопкой «Пуск» станка и, следовательно, не требует специального внимания рабочего.
Автоматическая компенсация износа и направляющих имеет следующие преимущества: обеспечивается сохранение точности перемещения стола на протяжении всего периода эксплуатации; нет необходимости в ремонте направляющих, не изнашивается и не ремонтируется дорогостоящая станина; для направляющих суппорта можно применять малостойкие и малопрочные материалы, но обладающие другими ценными качествами, например, низким коэффициентом трения, хорошей вибропоглощаемостью.
Применение автоматической компенсации износа различных ответственных пар трения способствует созданию высоконадежных конструкций и развитие этих методов имеет несомненные перспективы.
5.	Регламентация показателей износа машин из условия надежности. Поскольку износ многих машин является основной причиной потери ими работоспособности, необходимо не только применять различные методы повышения износостойкости сопряжений, но и лимитировать те показатели, которые определяют интенсивность процесса изнашивания, и оценивать допустимую скорость изнашивания. При этом основным критерием для регламентации показателей износа будут требования надежности, предъявляемые к машине. Установление предельно допустимых значений для показателей износа машины и контроль за их соблюдением являются важным средством создания машин с оптимальными показателями износостойкости.
В первую очередь необходимо установить границы допустимых значений для скоростей изнашивания сопряжений, определяющих изменение выходных параметров машины.
Рассмотрим методический подход к решению этой задачи для случая, когда модель отказа такова, что вероятность безотказной работы изделия Р (t) может быть подсчитана [формула (31) гл. 31, а значение выходного параметра X связано с износом сопряжения U линейной зависимостью
X = k0 + kU. 402
(37)
Следовательно, скорость изменения параметра непосредственно зависит от скорости изнашивания у:
Vx=-7r=*V.	(38)
Из формулы (31) гл. 3 видно, что при заданных вероятности безотказной работы Р (/) и ресурсе 7р можно установить значения уср и oY, при которых будут обеспечены требования надежности. Наибольшая допустимая скорость изменения выходного параметра Ух max при ЭТОМ будет
'Yxmax = Vcp+	(39)
где коэффициент а устанавливается исходя из условий безотказности. Например, при Р (t) = 0,999 и нормальном законе рассеивания, параметр а = 3 (шестисигмовая зона рассеивания). Следовательно, согласно (38) может быть регламентирована и скорость изнашивания утах =	. Если на выходной параметр влияет
износ не одного, а нескольких сопряжений, то можно установить допустимые значения износов для каждого из них, используя закономерности для расчета многозвенных механизмов (см. гл. 7, п. 2 и п. 3).
Ограничение скорости изнашивания каждого основного сопряжения машины и назначение класса износостойкости имеет первостепенное значение для создания надежных машин (см. гл. 5, п. 5). Существуют разнообразные методы и средства для повышения износостойкости любых пар трения, однако надо знать, какие пары в каких пределах должны обеспечивать заданный диапазон скоростей или интенсивностей изнашивания. Для создания износостойких машин необходимо также регламентировать те показатели изношенного сопряжения и те условия эксплуатации, которые определяют срок службы (наработку) изделия до отказа. Это в первую очередь относится к предельно допустимым износам (см. гл. 7, п. 3) и к условиям эксплуатации — нагрузкам, скоростям, температуре, к характеристикам окружающей среды (см. гл. 12, п. 1). Только целенаправленные мероприятия по повышению износостойкости дадут наибольший эффект. Поэтому применение для этой цели разнообразиях методов должно сочетаться с расчетом и анализом износа основных сопряжений, прогнозированием поведения изношенной машины, регламентацией скорости изнашивания. Еще на стадии проектирования должны быть заложены основы для создания износостойких надежных машин, сохраняющих работоспособность в различных условиях эксплуатации. Надежность, заложенная при проектировании машины, должна быть обеспечена при ее производстве и эксплуатации.
ЧАСТЬ Ill ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ
§ 2. «Приказываю ружейной канцелярии из Петербурга переехать в Тулу и денно и нощно блюсти исправность ружей. Пусть дьяки и подъячие смотрят, как олдерман клейма ставит, бу де сомнение возьмет, самим проверять и смотром и стрельбою. А два ружья каждый месяц стрелять пока не испортятся.
Буде заминка в войске приключится, особливо при сражении, по недогляду дьяков и подъячих, бить оных кнутами нещадно'» ...
Из указа Петра 1.
| УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ
ГЛАВА 9 | и НадЕЖНосТЬЮ
1.	Государственная система управления качеством и надежностью
1.	Необходимость обеспечения качества и надежности на всех стадиях производства и эксплуатации машин. Надежность — это свойство изделия, которое связано с целым комплексом его других свойств: геометрической точностью, прочностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью и другими показателями сопротивляемости изделия различным воздействиям. Эти свойства, в свою очередь, зависят не только от конструкции, но и от качества сырья и комплектующих материалов, качества технологического процесса, условий и методов эксплуатации и ремонта машин. Поэтому формирование такого комплексного показателя качества как надежность является сложным многоэтапным процессом, ход которого зависит от многих технических и организационных факторов.
Для обеспечения показателей надежности необходимо управлять процессом их формирования, направленно воздействуя на его отдельные этапы и контролируя ход процесса. При этом вопросы управления начальным качеством и надежностью изделия, как свойством сохранять начальные показатели во времени, взаимосвязаны и образуют единую систему.
Высокое начальное качество изделия создает избыточность, запас надежности, поскольку возникают условия для длительного сохранения работоспособности изделия. Согласно ГОСТ 15467—70 «Управление качеством продукции — это установление, обеспечение и поддержание необходимого уровня качества продукции при ее разработке, производстве и эксплуатации или потреблении, осуществляемое путем систематического контроля качества и целенаправленного воздействия на условия и факторы, влияющие на качество продукции».
404
Таким образом, управление качеством касается всех этапов создания и использования изделия. Управление качеством ведется на разных уровнях и в первую очередь на общегосударственном, когда создается система мероприятий по обеспечению качества и надежности выпускаемых изделий в масштабе страны и отдельных отраслей народного хозяйства. Как и всякая развитая система управления она характеризуется непосредственными воздействиями для осуществления заданной программы, а также обратными связями для контроля хода процесса, обеспечения требуемых показателей качества и надежности и внесения необходимых корректив в этот процесс.
2.	Система управления качеством в Советском Союзе. В Советском Союзе действует государственная система управления качеством в масштабе всей страны. Она опирается на социалистическую систему и плановые принципы ведения народного хозяйства, что облегчает управление качеством и надежностью в различных отраслях промышленности и по всем научно-техническим направлениям.
Основной целью государственного управления качеством является обеспечение постоянных высоких темпов эффективного улучшения качества всех видов продукции на основе всемерного использования научно-технических и социально-экономических возможностей страны. Улучшение качества продукции непосредственно связано с повышением эффективности общественного производства.
Государственная система планирования народного хозяйства позволяет включать в пятилетние планы наряду с другими заданиями и показателями важнейшие технико-экономические показатели качества и надежности и выделять средства на их обеспечение.
Такое планирование подкрепляется специальными постановлениями партии и правительства по качеству, в которых указываются направления и конкретные мероприятия по повышению качества продукции, разрабатываются методы экономического стимулирования, принимаются меры для развития стандартизации в этой области, утверждаются правила государственной аттестации качества и решаются другие коренные вопросы управления качеством продукции. Ведущую роль при управлении качеством играет Государственная система стандартизации. Роль стандартов в прогрессе техники и национальной экономики общеизвестна. С позиции качества и надежности стандартизация оказывает лоложительное влияние с двух точек зрения.
Во-первых, стандартизация любой продукции — ее конструктивного оформления, свойств, материалов, выходных параметров и т. п. — уменьшает ненужное разнообразие изделий и облегчает использование опыта их эксплуатации, анализ информации о работоспособности, проведение испытаний и другие мероприятия, связанные с повышением надежности.
405
Во-вторых, разработка стандартов, регламентирующих показатели качества и надежности, методы испытания и контроля продукции, методы ремонта и эксплуатации машин, а также стандартизация самих методов по управлению качеством, имеет основное значение для управления качеством и надежностью. Государственная система управления качеством включает также такие подсистемы, как аттестация промышленной продукции, когда высшая категория продукции отмечается Знаком качества, государственный надзор за внедрением и соблюдением стандартов и качеством продукции, информационная система о качестве изделий.
Система государственного управления качеством выпускаемой продукции предусматривает: прогнозирование потребностей, технического уровня и качества продукции; аттестацию продукции; разработку и постановку новой продукции на производство; планирование повышения качества продукции; организацию технологической подготовки производства, материально-техническое обеспечение производства продукции высокого качества и метрологическое обеспечение качества, подбор, расстановку, воспитание и обучение кадров, организацию хранения, транспортирования, эксплуатации и ремонта изделий; обеспечение повышения качества продукции; ведомственный и технической контроль и учет качества продукции, государственный надзор за соблюдением стандартов и технических условий и состоянием средств измерений, правовое обеспечение управления качеством продукции.
Большое положительное влияние на управление качеством и надежностью в государственном масштабе оказывает создание единых систем конструкторской и технологической документации (ЕСКД и ЕСТД) и технологической подготовки производства (ЕСТПП).
3.	Отраслевая система управления качеством как подсистема АСУП. Создаваемые в настоящее время автоматизированные системы управления производством (АСУП) являются принципиально новой ступенью в организации и управлении таким сложным процессом, каким является современное производство различных изделий.
На уровне отрасли АСУП охватывает основные взаимосвязи и, используя информационную систему о деятельности отдельных подразделений, позволяет не только управлять процессом производства и избегать принятия неправильных решений, но и оптимизировать этот процесс, находить наиболее выгодные варианты его осуществления, исходя из выбранных критериев оптимизации. Управление качеством является неотъемлемой и наиболее важной частью как системы АСУП, так и любой другой формы управления производством. При разработке отраслевых систем по управлению качеством следует учитывать связи не только внутри данного министерства (ведомства), но и связи со смежниками, поставляющими комплектующие изделия, и с потребите-406
Рис. 139. Схема взаимосвязей при отраслевой системе управления качеством
лями продукции. Упрощенная схема отраслевых взаимосвязей, которые определяют направления потоков информации и управляющие воздействия, показана на рис. 139 [116].
Управление качеством идет по тем же каналам. В составе соответствующего министерства — изготовителя, смежника или потребителя продукции управлением уровня качества продукции занимаются: промышленные объединения, техническое управление, головные научно-исследовательские институты (НИИ) и проектноконструкторские организации (ПКО). Информация о качестве выпускаемой отраслью продукции концентрируется в головных организациях по информации, например в отраслевом институте научно-технической информации (ИНТИ). НИИ и КБ (конструкторские бюро) — разработчики изделия имеют связи как с головными организациями отрасли, так и с предприятием-изготовителем.
Реализация продукции может идти через торгующие организации, а процесс эксплуатации требует организации подразделений для ремонта и технического обслуживания изделий. Все это также входит в сферу управления качеством, и соответствующие потоки информации о качестве изделий являются основой для принятия организационно-технических решений, направленных на планомерное и эффективное повышение качества выпускаемых изделий. Отраслевое управление качеством и надежностью следует сочетать с территориальным управлением, способствующим решению задач государственного управления промышленностью [11].
407
4.	Отраслевые информационные системы надежности. Как подсистема в общей системе управления качеством изделий в каждой отрасли создаются специальные центры и системы сбора и обработки информации о .фактической надежности изделий, находящихся в эксплуатации.
Информационное обеспечение системы управления качеством продукции на всех уровнях управления должно быть увязано с Единой системой технико-экономической информации, созданной на базе Государственной сети вычислительных центров (ГС ВЦ), Единой общегосударственной системой научно-технической информации (ЕОС НТИ), автоматизированной информационно-упра-вляющей системой Госстандарта СССР (АИУС) и органически вписываться в Общегосударственную автоматизированную систему сбора и обработки информации (ОГАС) для учета, планирования и управления народным хозяйством.
Основной задачей информационных систем о надежности изделий является анализ данных о надежности и определение тенденций в изменении надежности основных типов машин, оценка эффективности мероприятий по повышению надежности отдельных узлов, разработка рекомендаций по использованию оправдавших себя узлов и агрегатов в новых образцах машин, систематизация данных по надежности стандартных и унифицированных узлов, применяемых в различных машинах. Таким образом, данная система играет роль канала обратной связи для регулирования процесса управления качеством и надежностью в отрасли. Обычно в структуре такой системы предусмотрены подразделения, которые по специально разработанной методике собирают информацию о надежности изделий и в закодированном виде передают в информационный центр, где производится ее хранение и обработка на ЭВМ. Первичной информацией о надежности служат обычно карточки отказов (повреждений), которые позволяют выявить основные причины и последствия возникших повреждений, оценить близость изделия к отказу (если он не произошел), сравнить фактические показатели надежности с регламентированными.
Хранение в памяти ЭВМ информации о надежности позволяет решать разнообразные задачи и делать выборку по отдельным агрегатам, видам отказов, условиям эксплуатации машин и т. п.
При создании таких систем целесообразно, чтобы информация о надежности поступала не только из сферы эксплуатации, но и из испытательных центров. Это позволит, во-первых, получать более быструю информацию о надежности новых изделий и, во-вторых, сравнивать результаты испытаний (в том числе ускоренных) с данными о фактической надежности. Создание информационных систем о надежности изделий данной отрасли .— большое достижение в области организации управления качеством и надежностью.
Обычно более эффективно отраслевая система работает при наличии сравнительно небольшой номенклатуры изделий в отрасли 408
(автомобильная, тракторная, авиационная промышленности). При большой номенклатуре изделий целесообразно создание подсистем для данной категории продукции в пределах объединения или даже предприятия.
Создание систем информации о надежности эксплуатируемых машин создает ряд проблем, связанных с кодированйем, получением и обработкой данных об отказах или степени повреждения машины.
Система учета должна, с одной стороны, иметь общую форму для различных изделий, с другой — учитывать разнообразие конструкций, условий эксплуатации и режимов работы машин. Кроме того, необходимо стремиться к минимальным трудозатратам по сбору данных. Для этой цели с успехом может применяться система выборок вместо полного сбора данных по всем эксплуатируемым изделиям. Примером создания отраслевой информационной системы надежности может служить система сбора информации о неисправностях техники в гражданской авиации [91 ].
Эта система обеспечивает сбор данных о всех неисправностях (повреждениях), если отказы могут угрожать безопасности полета и выборочно — о всех остальных.
Карточки учета неисправностей фиксируют место и вид повреждения, причины его возникновения, обстоятельства, при которых неисправность была обнаружена, способ устранения и категорию по последствиям отказа. Учитываются также режимы полета и условия эксплуатации самолета — климатические зоны, запыленность аэродромов, условия обслуживания.
Следует подчеркнуть, что любая информационная система о надежности изделий обладает большой инерционностью (запаздыванием) — данные о фактическом состоянии объекта поступают к конструкторам, когда машина находится в эксплуатации уже достаточно длительное время.
Поэтому, во-первых, стремятся выявить тенденции изменения показателей надежности, что возможно при регулярном функционировании системы и, во-вторых, тщательно анализировать данные об ускоренных испытаниях и о надежности лидеров—• образцов новых машин, работающих с большим использованием во времени. Система информации о надежности, как было сказано выше, дает сигнал обратной связи о правильности идей и мероприятий, заложенных при проектировании и изготовлении машины. Основой для принятия новых решений по создаваемой машине является расчет и прогнозирование надежности с использованием информации, полученной из сферы эксплуатации для прототипов изделия.
5.	Государственная система надзора за качеством^ Для контроля за качеством продукции, за условиями, при которых осуществляется производство данных изделий, за соблюдением стандартов и технических условий создана специальная система Государственного надзора за качеством, которая административно
409
подчинена Госстандарту СССР. Данная система имеет широкую сеть лабораторий, которые являются подразделениями, не зависящими от предприятия, и осуществляют свои функции путем проведения периодических проверок.
Существенную роль в системе надзора за качеством продукции играют Государственные испытательные центры по важнейшим видам продукции, которые обеспечивают высококвалифицированную и объективную оценку качественных характеристик машин и изделий.
Большое внимание уделяется качеству сырья, материалов и комплектующих изделий, т. е. входным параметрам качества для данного производства, которые во многом определяют показатели готового изделия.
Система государственного надзора является одной из подсистем по управлению качеством в масштабе всей страны. Полученная в результате проверок информация поступает в Госстандарт, где она обрабатывается, накапливается и используется для управляющего воздействия за соответствующие предприятия или ведомства.
При резких отклонениях фактического уровня качества от заданного Госстандарт имеет право применять экономические и правовые санкции вплоть до запрещения выпуска данной продукции. Все методы и средства по управлению качеством распространяются на различные отрасли промышленности, однако внутри каждой отрасли также действует система по управлению качеством, которая отражает ее специфику и является подсистемой государственного управления качеством.
2.	Управление качеством и надежностью на предприятии
1.	Факторы, определяющие качество изделий. Качество выпускаемых изделий, а также качество их эксплуатации и ремонта зависит от перечисленных ниже четырех составляющих факторов (см. ГОСТ 17341—71).
Качество документации на изготовление, эксплуатацию или ремонт изделий характеризуют не только ошибки в чертежах, технической документации или отклонения от стандартов и нормативов, но и такие показатели, как уровень стандартизации и унификации, продуманность и прогрессивность технических решений, технологичность, ремонтопригодность конструкции и ее металлоемкость, простота конструктивных форм, обоснованность технических условий на элементы изделия и на его выходные параметры и другие показатели совершенства самой конструкции изделия.
Для технологической документации показателями ее качества являются также обоснованный выбор структуры технологического процесса, степени автоматизации оборудования, режимов 410
обработки и других показателей совершенства принятого технологического процесса.
Качество оборудования, приспособлений, инструмента, измерительных средств включает оценку их уровня, технических характеристик и технологических возможностей, а также их технологическую надежность. Сложное оборудование и технологические комплексы, характерные для современного производства, их совершенство и надежность во многом определяют и возможности получения качественной продукции.
Качество сырья, материалов, комплектующих изделий, запасных частей и принадлежностей — это те компоненты, на качество которых предприятие не может оказывать воздействие, а может лишь контролировать их свойства (входной контроль). При современных методах производства сложных изделий,, когда широко применяется кооперация и использование стандартных элементов, качество комплектующих изделий наряду с качеством конструкционных материалов, смазок, полуфабрикатов играет существенную роль в обеспечении качества изделий.
Качество труда исполнителей, т. е. изготовителей продукции, или лиц, эксплуатирующих и ремонтирующих изделие, является одним из определяющих факторов, обеспечивающих требуемый уровень качества.
При этом влияет качество труда не только непосредственных исполнителей отдельных технологических операций, но и контролеров, руководителей подразделений, работников вспомогательных подразделений и всего коллектива предприятия, Не только система «человек—машина», но и система «коллектив—комплекс машин» должны учитываться при разработке методов по обеспечению и управлению качеством.
2.	Классификация условий, влияющих на качество процессов труда. Перечисленные факторы, определяющие качество продукции (качество изделий), связаны с процессом ее создания и использования.
Качество этого процесса в свою очередь зависит от организационно-технических условий, в которых он протекает.
Под условиями, влияющими на факторы повышения качества продукции, понимается: обстановка, обстоятельства и среда, в которых протекает производственный процесс, и согласно принятой методике [116] включает следующее.
Условия, воздействующие на качество предметов труда, т. е. организация работ по аттестации и планированию качества сырья, материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий и т. д.; показатели входного контроля материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий; материально-технического снабжения; научно-технической информации о свойствах сырья, материалов, полуфабрикатов; работ по стандартизации сырья, материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий; обеспеченности испытательной базой и др.
411
Условия, воздействующие на качество средств труда. Сюда относится: организация работ по аттестации и планированию качества оборудования машин, оснастки и т. д.; показатели материально-технического снабжения; обеспечения оснасткой, инструментом, приспособлениями; обслуживания и ремонта средств труда; контроля технологических процессов; научно-технической информации о технологии производства.
Кроме того, на качество средств труда оказывает существенное влияние уровень автоматизации и механизации технологических процессов; обеспеченность испытательной базой; применение методов стандартизации, унификации, агрегатирования и др.
Условия, воздействующие на качество нормативно-технической документации (НТД): организация научно-технической информации; применение методов стандартизации, унификации, агрегатирования; состояние контроля НТД; наличие средств оргтехники и др.
Условия, воздействующие на качество труда исполнителей: научная организация труда; ритмичность производства; система стимулирования качества труда исполнителей; культура производства и уровень технической эстетики; взаимоотношения в коллективе; общеобразовательный уровень и организация повышения квалификации; жилищно-бытовые условия; система расстановки и подбора кадров; формирование коммунистического отношения к труду; социалистическое соревнование; организация научно-технической информации; организация оперативного контроля качества труда исполнителей и др.
Каждое из перечисленных условий может характеризоваться определенным показателем (относительные, экспертные, балльные, альтернативные оценки, коэффициенты и др.).
Поскольку объектом управления являются качество продукции и качество процессов ее создания и использования, рассмотренные условия, определяющие качество труда, их анализ и совершенствование, являются основой для создания специальных систем бездефектного труда (см. гл. 9, п. 5).
3.	Общие принципы управления качеством на предприятии. Управление качеством на предприятии как развитая сложная система должно иметь контуры прямого управления и обратные связи, позволяющие корректировать управляющие воздействия.
Схема управления качеством, характерная для обычных методов производства (т. е. без создания специальных форм управления качеством), приведена на рис. 140, а (по критериям качества продукции). Программой являются требования нормативно-технической документации на изделие и его элементы, а управляющее воздействие заключается в сочетании методов административного воздействия с моральным и материальным стимулированием работников предприятия в соответствии с качеством полученной продукции. Информация о качестве изделия и его элементов (например, данные ОТК, рекламации или сведения от потребителя) 412
Рис. 140. Схема управления качеством на предприятии: а — по критериям качества продукции; б — по критериям качества продукции и труда
позволяв? сравнить качество продукции с требованиями документации (например, оценить процент брака) и применить методы воздействия к тем подразделениям предприятия или к тем этапам технологического процесса, которые повинны в невыполнении установленных показателей качества. Такая схема управления, хотя и имеет обратную связь, не в состоянии полностью управлять сложной системой формирования показателей качества. Этой системе присущи следующие недостатки. Во-первых, не решается вопрос об оптимизации процесса изготовления продукции по качественным показателям. Информация О'наличии некачественной продукции воспринимается как сигнал к ужесточению требований к данной операции или к данному работнику. В действительности причина брака может иметь более глубокие корни и зависеть также от непродуманного построения технологического процесса, плохой организации труда, некачественного сырья и т. д.
413
Во-вторых, данная система не выделяет качество самого труда как объекта управления. Должна быть информация не только о выходных параметрах изделия и его элементов, но и о показателях качества самого труда, например, методах его осуществления, самоконтроля показателей качества со стороны исполнителя, взаимодействия системы «человек—техника», профилактика недопущения отклонений от требований технических условий, структура расходования материальных затрат, культура труда и др. Не исправление брака, а создание условий, исключающих брак, — одно из основных положений управления качеством.
В-третьих, простая система управления не учитывает, как правило, возможностей по корректированию самой программы. Например, возможны изменения в структуре затрат на отдельные операции, в содержании контрольных операций, в технических условиях на промежуточные этапы проектирования и изготовления изделия, с тем, чтобы окончательный результат был получен не только исходя из установленных требований качества, но и с минимальными затратами времени и средств.
Схема управления качеством с учетом высказанных требований приведена на рис. 140, б (по критериям качества продукции и труда). Здесь имеется несколько контуров обратной связи, которые воздействуют и на управляющие факторы, и на качество труда, и на начальную программу управления качеством. Последняя не считается стабильной, а включает план мероприятий по повышению качества, который постоянно изменяется и совершенствуется под действием управляющих сигналов обратной связи.
Большое значение имеют информационные системы как подсистемы в общем процессе управления качеством. Данный принцип управления качеством воплощается обычно в различных системах бездефектного труда (см. гл. 9, п. 5).
4.	Организация контроля качества на предприятии. Для организации управления качеством необходимо иметь информацию о всех этапах производства. Согласно рекомендациям международного центра качества на предприятии-изготовителе необходимо организовать два потока информации.
Прямой поток информации от потребителя к конструктору — информация о требованиях к изделию и условиям эксплуатации; от конструктора на производство — техническая документация, технологические инструкции; от изготовителя к потребителю — информация о качестве и свойствах изделия.
Встречный поток информации от потребителя к изготовителю— обычно рекламации (небольшое количество рекламаций еще не свидетельствует о хорошем качестве продукции); с производственного участка к конструктору — информация о нетехнологичности конструкции; от конструктора к потребителю — данные о качестве конструкции вновь изготовленного изделия.
Такую информацию в первую очередь дает контроль качества изделий. Рациональная организация контроля качества должна 414
Сырье
Полуфабрикаты
Готовые изделия
Изделия, к которым предъявляются повышенные требования
Рис. 141. Диаграмма рациональной организации контроля качества продукции
учитывать, во-первых, вид объекта, который подвергается контролю (сырье, полуфабрикат, готовое изделие), и, во-вторых, возможные этапы контроля (входной контроль, контроль на стадии изготовления и др.).
На рис. 141 приведена диаграмма рациональной организации контроля качества продукции. Из диаграммы видно, что соотношение между этапами контроля зависит от объекта контроля. Если изготовитель заготовок должен основное внимание сосредоточить на контроле готовой продукции, то на предприятиях, выпускающих готовые изделия, особенно изделия с высокими требованиями к качеству, основную роль играет входной контроль.
Входному контролю могут подвергаться различные изделия от полуфабрикатов и сырья до комплектующих узлов и отдельных агрегатов. При контроле сырья (материалов) следует иметь в виду, что указание поставщика о годности материалов без приложения протокола испытаний не должно приниматься для материалов, влияющих на надежность изделия. При высоких требованиях к материалам, отливкам, полуфабрикатам даже при наличии сведений об их испытаниях или анализе проводят выборочный контроль их качества, а также проверки, не предусмотренные поставщиком (например, рентгенографическую дефектоскопию поковок и отливок).
Для комплектующих изделий и агрегатов степень входного контроля зависит от их назначения в изделии. Если от надежности их работы в значительной степени зависит надежность всего из-
415
делия, то испытание таких узлов должно проводиться в более жестких условиях, чем у поставщика.
Между изготовителем и поставщиком должна быть регулярная связь и взаимные потоки информации о качестве поставляемых изделий и материалов и их соответствия требованиям качества и надежности основного изделия. Контроль качества в процессе производства рассмотрен в гл. 10, п. 3.
5.	Комплексные программы обеспечения надежности. Надежность изделия как один из основных показателей его качества наиболее трудно поддающийся оценке и подтверждению, требует особого внимания на всех стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации машины.
Поэтому для изделий, к которым предъявляются высокие требования надежности, разрабатываются (как правило) специальные программы обеспечения надежности, имеющие особо важное значение при создании опытных образцов и запуске серии. Эти программы являются комплексными, поскольку охватывают все основные факторы и стадии, определяющие надежность изделия.
Содержание мероприятий, входящих в программу обеспечения надежности, зависит от типа изделия, требований к нему, организации его изготовления и других факторов. Однако структура программы, как правило, имеет общее построение и содержит типовые разделы и планы.
В общих чертах программа по обеспечению надежности должна содержать следующие разделы.
Комплексный план мероприятий по надежности, который охватывает все этапы производства и изготовления изделия. Обычно такой план разрабатывается под руководством главного (генерального) конструктора изделия и согласуется с соответствующими инстанциями. Для комплектующих изделий составляются частные программы обеспечения надежности.
Требования по надежности должны быть заданы общегосударственными стандартами или требованиями заказчика. При этом надо установить конкретные значения и перечень регламентируемых показателей (ресурс при заданной вероятности безотказной работы, запас надежности, показатели ремонтопригодности изделия и др.). Трудность обычно состоит в том, что надо не только установить, но и иметь методы контроля и подтверждения показателей надежности.
Информация о надежности с использованием различных источников (см. гл. 4, п. 5) должна поступить к разработчикам уже на стадии проектирования. Особое значение имеет расчет надежности, позволяющий избежать многих неправильных решений, которые для сложных изделий трудно принимать на основе лишь инженерной интуиции и сведений о надежности прототипов изделия.
Анализ надежности содержит оценку слабых мест конструкции или технологического процесса, обеспечивающего заданные по-416
казатели надежности изделия. Особенно следует исследовать возможность возникновения так называемых критических отказов, которые могут привести к серьезным последствиям (авария, катастрофа). Для них должны быть установлены высокие значения вероятности безотказной работы.
Методы испытания изделий на надежность, включая стендовые испытания отдельных узлов и машины в целом, а также эксплуатационные испытания (см. гл. 11), должны проводиться по специально разработанным программам и обеспечить с определенной достоверностью подтверждение установленных показателей надежности.
Оценка технологического процесса изготовления изделий с позиций обеспечения требований надежности, включает контроль и промежуточные испытания с оценкой тех факторов, которые влияют на выходные параметры изделия и обеспечивают заданные показатели надежности (см. гл. 10).
Анализ методов эксплуатации изделия, включает этапы транспортировки, хранения, ремонта и технического обслуживания применяемых режимов работы с целью установления их влияния на показатели надежности (см. гл. 12).
Здесь ведущее значение имеют отраслевые информационные системы по сбору и обработке данных о надежности изделий (см. гл. 9, п. 1).
Разработка программы по обеспечению надежности изделий должна производиться с учетом соответствующих стандартов и нормативных документов.
3.	Аттестация качества и надежности
1.	Государственная система аттестации качества. Большую роль в стимулировании повышения качества и надежности выпускаемой продукции играет система государственной аттестации, когда изделиям высшей категории по показателям качества присваивается «Знак качества».
Согласно ГОСТ 15467—70 может производиться заводская, отраслевая и государственная аттестация качества продукции. При заводской аттестации лучшим изделиям присваиваются аттестаты или дипломы качества, при отраслевой — устанавливаются классы или категории качества выпускаемой продукции и лишь при государственной аттестации может быть присвоен «Знак качества».
Аттестацию проводят специальные комиссии. Они руководствуются стандартными и нормативными документами, в которых при государственной аттестации указаны повышенные показатели качества. Присвоению «Знака качества» на предприятиях предшествует большая подготовительная работа по организации производства, включая внедрение систем по управлению качеством, создание испытательной и измерительной базы, модернизацию изделия и технологического процесса, проверку соответ-
14 Проников А С.	417
ствия всех параметров изделия и методов его производства соответствующим стандартам, оценку фактических показателей качества для изделий, находящихся в эксплуатации, и другие мероприятия.
Вся продукция аттестуется по трем категориям качества — высшей (которой присваивается «Знак качества»), первой и второй.
Изделия ^ысшей категории отвечают требованиям перспективных стандартов, первой — отражают существующий уровень качества изделий данного типа и соответствуют требованиям действующих стандартов, а к изделиям второй категории относится морально устаревшая продукция, которая подлежит улучшению или снятию с производства в установленные сроки.
Для аттестации качества изделий необходимо иметь методы оценки его уровня и регламентировать соответствующие показатели.	—
2.	Показатели качества. Как известно, качество продукции — это совокупность свойств, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с назначением (ГОСТ 15467—70). При этом надежность является одним из основных показателей качества, который проявляется во времени. Другие показатели качества оценивают различные свойства изделия и многие из них также связаны с показателями надежности. В общем случае используют следующие виды показателей качества [175]:
показатели назначения, характеризующие полезный эффект от использования продукции по назначению и обусловливающие область ее применения;
показатели технологичности, характеризующие эффективность конструктивно-технологических решений для обеспечения высокой производительности труда при изготовлении и ремонте продукции;
эргономические показатели, характеризующие систему «человек—изделие—среда» и учитывающие комплекс гигиенических, антропометрических, физиологических, психофизиологических и психологических свойств человека, проявляющихся в производственных и бытовых процессах;
эстетические показатели, характеризующие внешние свойства продукции: выразительность, оригинальность, гармоничность, целостность, соответствие среде и стилю, и др.*,
показатели стандартизации и унификации, характеризующие степень использования в продукции стандартизованных изделий и уровень унификации составных частей изделия;
патентно-правовые показатели, характеризующие степень патентной защиты изделия в СССР и за рубежом, а также его патентную чистоту;
экономические показатели, отражающие затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию или потребление продукции, а также экономическую эффективность эксплуатации.
418
Экономические показатели представляют особый вид показателей при оценке уровня качества продукции.
При помощи экономических показателей оценивают ремонтопригодность продукции, ее технологичность, уровень стандартизации и унификации и патентную чистоту.
Приведенная номенклатура показателей качества продукции является укрупненной, так как внутри каждого вида показателей можно выделить группы показателей качества.
3.	Оценка уровня качества. Уровень качества — это относительная характеристика качества продукции, основанная на сравнении совокупности показателей ее качества с соответствующей совокупностью базовых показателей ГОСТ 15467—70. Таким образом, качество изделия оценивается сравнением с показателями качества того изделия, которое принято за исходное (базовое) или с показателями стандарта. Показателем качества обязательно является количественная характеристика тех свойств продукции, которые определяют ее качество применительно к определенным условиям ее создания и эксплуатации. Показатель качества продукции может относиться к одному из ее свойств (единичный показатель качества) или к нескольким свойствам (комплексный показатель). За базовый образец может быть принята реально существующая конструкция или заданная (гипотетическая) модель, для которой установлены необходимые показатели качества. Большинство показателей качества, оценивающих выходные параметры изделий и их техническое состояние, поддаются измерению и могут быть получены экспериментальными или расчетными методами. Однако существуют также такие показатели качества (например, окраска, пропорции изделия, запах), оценка которых основана на анализе восприятий органов чувств без применения технических средств (органолептический метод оценки). В этом случае для количественной оценки данного показателя качества обычно применяется балльная оценка. Для оценки уровня качества данного изделия по сравнению с базовым применяется два основных метода.
Дифференциальный метод, при котором сопоставляются единичные показатели качества данного изделия и базового образца или стандарта. При этом определяется, по каким показателям достигнут требуемый уровень качества, каковы наибольшие отклонения от нормы и т. п. В случае, если часть показателей соответствует требованиям к показателям качества, а часть нет, применяются различные методики для оценки категории качества или ее уровня. В этих методиках учитывается функциональное назначение изделия, на основании чего устанавливается удельный вес различных показателей качества. При этом должны быть выделены основные показатели, которые являются выходными параметрами изделия и для которых достижение требуемого уровня является обязательным условием.
14’
419
Для различия между основными параметрами, определяющими работоспособность изделия, и остальными показателями качества ГОСТ 13377—75 устанавливает понятие «исправное состояние», которое шире, чем понятие «работоспособность».
При исправном состоянии изделие должно удовлетворять всем требованиям технической документации, в том числе таким как, например, целостность декоративных покрытий, деформация крышек и кожухов и т. п., которые не влияют на работоспособность изделия, но определяют его товарный вид.
Комплексный метод оценки уровня качества применяется, когда для сравнения изделий и машин желательно характеризовать их качество одним числом. В этом случае используют различные зависимости, полученные, как правило, из балльной оценки «удельного веса» каждого фактора в балансе качества [84].
Например, для оценки качества часов часто применяется оценочное число N, которое вычисляется по формуле [175]
К = 0,15vfflax + 0,lpmax + C,	(1)
W иШах — изохронная погрешность; ртах — позиционная погрешность; С — температурный коэффициент.
Следует, однако, подчеркнуть, что подобные оценки имеют весьма условный характер, если назначение удельного веса каждого из разнородных показателей качества и приравнивание в общем показателе производится на основании субъективных оценок. Изменение соотношения «удельных весов» отдельных показателей может привести к совершенно иным выводам о качестве изделия.
Более целесообразно для комплексного показателя качества применять так называемый интегральный показатель качества — отношение суммарного полезного эффекта от эксплуатации изделия к суммарным затратам на его создание и поддержание работоспособности. Этот показатель связан с надежностью и с экономической эффективностью применения данного изделия.
4.	Квалиметрия. Потребность в развитии методов оценки качества при помощи количественных показателей породила ряд научных проблем, которые объединены в направлении, получившем название квалиметрии [117]. Квалиметрия рассматривает такие вопросы, как разработку методов определения численных значений показателей качества, определение их оптимальных значений, выбор показателей при планировании повышения уровня качества, установление номенклатуры показателей качества, подлежащих стандартизации, классификацию показателей качества. При оценке и оптимизации показателей качества необходимо выбрать целевую функцию с тем, чтобы по ее экстремальному значению отдать преимущество одному из сравниваемых вариантов изделия.
420
Удобным для этой цели является комплексный показатель качества, где одним числом оценивается качество изделия с учетом его основных показателей. Однако его применение допустимо лишь при обосновании значений применяемых коэффициентов веса отдельных составляющих.
Для присуждения изделию той или иной категории качества или оценки его единым «индексом качества» могут применяться методы машинной классификации на основе теории распознавания образов, экономические критерии (в том числе интегральный показатель качества), индексные показатели качества на основе статистического анализа степени удовлетворения продукции требуемым свойствам (потребностям) в сфере эксплуатации (потребления), экспертные оценки [12] и др.
Статистические методы исследования являются важным инструментом при решении многих задач квалиметрии, поскольку могут применяться как для оценки рассеивания параметров качества при производстве и эксплуатации изделий, так и для характеристики потребности в данных свойствах изделия.
С проблемой надежности методы квалиметрии связаны фактором времени — установление показателей качества и возможности их оценки позволят проследить изменение качества изделия в процессе его эксплуатации.
5.	Специфика аттестации надежности изделий. При аттестации качества изделия особенно трудно оценить показатели надежности. Источники информации о надежности (см. гл. 4, п. 5) дают необходимые данные либо с запозданием (из сферы эксплуатации), либо лишь с определенной степенью достоверности (при расчетах или ускоренных испытаниях). Поэтому при аттестации надежности выпускаемого изделия должны быть наряду с показателями, учитывающими фактор времени (ресурс, вероятность безотказной работы, коэффициент долговечности и др.) и такие показатели, которые могут быть достоверно определены непосредственно у готового изделия и характеризовать его надежность. Таким показателем должен быть в первую очередь запас надежности, т. е. отношение предельно допустимого значения выходного параметра к его фактическому значению Кн > 1 (см. гл. 4, п. 3). Запас надежности является объективной характеристикой изделия и может быть установлен при его испытании без необходимости дожидаться изменения выходных параметров. Конечно, запас надежности еще не определяет полностью длительности последующего функционирования изделия, поскольку надо знать и скорость процесса потери работоспособности. Однако скорость процесса может быть регламентирована соответствующими нормативами или определена расчетом и прогнозированием. Подтверждение показателей надежности при испытании изделий является критерием для‘обоснованности выбора значений запаса надежности по каждому из выходных параметров.
421
4.	Роль стандартизации в обеспечении качества и надежности
1.	Стандартизация как инструмент в борьбе за качество и надежность; Управление качеством и надежностью невозможно осуществлять без стандартизации всех основных звеньев и этапов этого сложного процесса.
Стандарты оказывают решающее влияние на качество изделия на всех стадиях его формирования. При этом особый эффект дает системный подход, когда все стандарты, определяющие показатели качества, образуют группы (системы), которые отражают отдельные стороны процесса формирования качества и все стандарты, входящие в данную систему, подчинены единой цели. Так, в нашей стране созданы единые системы конструкторской документации, технологической подготовки производства, управления технологическими процессами, системы технического обслуживания и ремонта техники, надежности в технике и др. Все это является этапами развития так называемой комплексной стандартизации [151. Согласно определению, принятому странами — членами СЭВ [195]: «Это стандартизация, при которой осуществляется целенаправленное и планомерное установление и применение системы взаимоувязанных требований как к самому объекту комплексной стандартизации в целом, так5 и к его основным элементам, в целях обеспечения оптимального решения конкретной проблемы».
Созданная в Советском Союзе Единая государственная система стандартизации способствует развитию комплексной стандартизации, системному подходу при разработке стандартов. Большое значение имеет создание так называемых опережающих стандартов, в которых устанавливаются перспективные показатели качества продукции и ступенчатые сроки их освоения.
При разработке опережающих стандартов используют новейшие научно-технические достижения и прогностическую информацию об изменении во времени показателей качества и надежности объектов стандартизации. Необходимо отметить роль не только государственной и отраслевой стандартизации, но и стандартов предприятия, которые отражают его специфику, обеспечивают конкретное воплощение принципов, заложенных в общегосударственных стандартах.
Обычно стандарты предприятия по управлению качеством продукции состоят из следующих систем [168].
Общие стандарты содержат основные положения системы по управлению качеством, порядок аттестации качества продукции, определение экономической эффективности от повышения качества выпускаемой продукции, методы морального и материального стимулирования и др.
Стандарты для этапа разработки содержат выбор показателей качества, прогнозирование параметров качества и надеж-422
ности, ускоренные методы испытаний, контроль конструкторской документации, доводку изделий в опытном производстве и др.
Стандарты для этапа производства содержат документацию по входному контролю материалов, по сбору и обработке статистической и оперативной информации о качестве продукции, анализ причин дефектов производства и отказов изделия по вине изготовителя, проверку точностной надежности технологического и контрольно-испытательного оборудования, статистический анализ технологического процесса, контроль выполнения мероприятий по повышению качества продукции, методы проведения испытаний, заводскую аттестацию качества продукции.
Стандарты для этапа эксплуатации содержат контроль правильности эксплуатации (применения) продукции, анализ отказов, рекомендации по методам эксплуатации и ремонта и др.
2.	Стандартизация систем по управлению качеством. Передовые предприятия осуществляют стандартизацию систем по управлению качеством применительно к особенностям своего производства и структуры. Стандарты предприятия устанавливают функции и задачи системы, взаимодействие структурных подразделений, методы контроля за функционированием системы, взаимоотношения с поставщиками и потребителями.
Особенно эффективно применение автоматизированной системы управления качеством продукции (АСУКП), которая основана на использовании математических, статистических и экономических методов анализа состояния качества продукции. Автоматизированная информационная система охватывает все функциональные области хозяйственной деятельности предприятия, когда результирующая информация о качестве продукции, полученная с помощью ЭВМ, используется для осуществления постоянно действующих мероприятий по повышению качества продукции. Система управления качеством включает три основных подсистемы.
Подсистема № 1 управляет качеством на этапе разработки и испытанием новых и модернизированных образцов. Она включает оценку и контроль технического уровня и качества новых изделий, качества конструкторской и технологической документации, методы и средства испытания опытных образцов.
Подсистема № 2 управляет качеством при серийном изготовлении изделий и решает задачи, связанные с планированием и оценкой качества продукции, технологического оборудования и оснастки на всех стадиях производства.
Подсистема № 3 управляет, качеством на стадии эксплуатации с использованием информации от потребителя о качестве изделий, спросе на них, предложений по модернизации и повышению технических параметров. Контроль за функционированием системы управления качеством осуществляется специальной службой предприятий.
3.	Основные направления при стандартизации надежности. Стандартизация надежности охватывает круг вопросов, относя-
423
щихся как непосредственно к оценке и регламентации показателей надежности, так и к смежным областям, связанным с надежностью изделий.
Объектом стандартизации надежности могут быть, во-первых, материалы, образцы, заготовки, детали, для которых характерна надежность функционирования. Поэтому соответствующие стандарты относятся к прочности, износостойкости, коррозионной стойкости и другим показателям сопротивляемости изделия внешним воздействиям. Во-вторых, системы, машины, агрегаты, механизмы, в которых основную роль играет параметрическая надежность.
Область стандартизации по проблеме надежности должна охватывать кроме общих положений, связанных с терминологией и определениями (например, ГОСТ 13377—75 «Надежность в технике. Термины и определения»), все основные стороны, определяющие надежность изделия. Сюда относятся следующие направления.
Расчет и прогнозирование надежности^, когда разрабатываются типовые положения по прочностным расчетам, оценке интенсивности изнашивания, расчету и прогнозированию надежности сложных систем и т. п. Поскольку эти вопросы связаны, как правило, с глубокими исследованиями, чтобы не сдерживать применение вновь создаваемых методов расчета, наряду со стандартизацией основных положений следует разрабатывать типовые методики, рекомендуемые, но не обязательные для использования.
Испытание и контроль надежности, методы диагностики. К этой группе стандартов относятся, например, «Ускоренная оценка пределов выносливости» (ГОСТ 19533—74), «Методы контрольных испытаний» (ГОСТ 20699—75) и другие, регламентирующие методы и средства, связанные с экспериментальной оценкой уровня надежности, а также устанавливающие порядок и последовательность проведения испытаний.
Нормирование надежности. Установление нормативов на категории надежности, классы износостойкости, предельные состояния изделия, показатели безотказности и долговечности является важным направлением в области стандартизации надежности, которое в настоящее время еще не получило достаточного развития.
Технологические методы обеспечения надежности включают стандарты, отражающие широкий круг вопросов, связанных с получением у материалов, заготовок и изделий требуемых свойств. Сюда относятся, например, стандарты на химико-термическую обработку, антикоррозионные покрытия, на точность сборки и т. п. Здесь часто трудно провести Грань между качеством и надежностью.
Эксплуатация и ремонт машин непосредственно связаны с проблемой надежности, поскольку потеря изделием работоспособности требует восстановления показателей его качества. Примерами стандартов этой категории могут служить ГОСТ 18322—73 «Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины 424
и определения», ГОСТ 19504—74 «Порядок сдачи в ремонт и приемки из ремонта» и др. Для систем ремонта и технического обслуживания характерна отраслевая стандартизация, отражающая специфику данной категории машин (например, система плановопредупредительного ремонта технологического оборудования).
Информационное обеспечение включает стандарты., связанные со сбором, обработкой и учетом информации (например, ГОСТ 19490—74, ГОСТ 20857—75 и др.), что особенно важно для систем по управлению качеством и надежностью.
Разработка стандартов по надежности базируется на соответствующих научных положениях теории надежности и ее разделов (см. гл. 1, п. 1).
4.	Принцип функциональной взаимозаменяемости. Стандартизации подвергаются выходные параметры всех изделий, начиная от отдельных деталей, где имеются стандарты на размеры, форму, материал, прочностные и другие показатели, и кончая сложным агрегатом или машиной. Эти параметры выбираются не произвольно, а из стандартного ряда (класса) показателей. При изготовлении любого изделия, как известно, применяется принцип взаимозаменяемости, когда независимо изготовленные изделия могут быть собраны в узел и машину с установленными требованиями к ней. Если до последнего времени основным показателем взаимозаменяемости служила точность изготовления деталей и узлов, то сейчас принцип развивается в так называемую функциональную взаимозаменяемость [2251. Для ответственных деталей и составных частей (узлов) взаимозаменяемость необходимо соблюдать не только по размерам, форме и другим геометрическим параметрам и показателям механических свойств материалов, но и по выходным (функциональным) параметрам, определяющим функциональные, динамические, эксплуатационные и другие характеристики изделия в целом. Установление связей между выходными параметрами изделия и параметрами отдельных элементов изделия и независимое изготовление деталей и узлов машины с требованиями (точностью), определяемыми исходя из допустимых отклонений выходных параметров, — одно из главных условий обеспечения функциональной взаимозаменяемости.
Под функциональной взаимозаменяемостью следует понимать свойство двух или нескольких изделий выполнять заданные функции одним изделием вместо другого с теми же техническими показателями и в течение заданного времени эксплуатации. Например, замена гидроагрегата, тормоза или целого станка аналогичным изделием даже другой конструкции, но с теми же требуемыми выходными параметрами является реализацией данного принципа.
Принцип функциональной взаимозаменяемости близок к задачам, решаемым в проблеме надежности. Установление запаса на износ и соответствующий расчет допусков является метрологическим обеспечением создания запаса надежности при расчете машин и изделий. Этот принцип позволяет при использовании ком
425
плектующих изделий и агрегатов проверять их по выходным параметрам и не контролировать промежуточные допуски, при помощи которых достигнуты данные показатели, поскольку для всей машины необходима именно функциональная взаимозаменяемость ее агрегатов и узлов.
5.	Стандартизация допусков на выходные параметры изделий. Стандартизация решает многие вопросы, связанные с оценкой и повышением надежности изделий и регламентацией методов их производства, эксплуатации и испытания. Особое место с позиций расчета, прогнозирования и достижения необходимого уровня надежности занимают стандарты, которые регламентируют значения выходных параметров материалов, деталей, узлов и машин и устанавливают классы изделий, отличающиеся по показателям качества. Так, установление классов (степеней) точности (квали-тетов) при изготовлении деталей является регламентацией геометрических параметров изделия, классы шероховатости (ГОСТ 2789—73) разделяют все обработанные поверхности на категории по геометрическим параметрам поверхностного слоя. Стандарты и технические условия на различные марки материалов устанавливают предельные значения или допустимый диапазон изменения их механических характеристик — предела прочности, текучести, усталости, относительного удлинения, твердости и др. Стандарты устанавливают также значения для выходных параметров отдельных деталей сопряжений и механизмов (например, запас прочности конструкций, точность вращения подшипников качения), узлов, систем и машин. Так, например, имеются классы точности для металлорежущих станков, регламентированы тяговые усилия и КПД двигателей, уровень вибраций и температур для ряда машин и т. п. Эти нормативы являются необходимым условием для оценки параметрической надежности изделий и определяют исходные данные при прогнозировании поведения машины в различных условиях эксплуатации.
Для решения задач надежности необходимо также нормировать скорости процессов, определяющих потерю изделием работоспособности, как это было сделано для износа (см. гл. 5, п. 5). Возможно также установление нормативов, регламентирующих скорость изменения выходных параметров изделия, что позволит относить изделие к той или иной категории и по показателям надежности.
В настоящее время нормирование скоростей изменения выходных параметров или скоростей процессов старения не получило необходимого развития. Это связано в основном с трудностью подтверждения установленных значений. Однако запросы в области прогнозирования и расчета надежности, требования к безопасности работы многих машин и развитие методов испытания изделий на надежность и долговечность выдвигает требование разработки и стандартизации и скоростей процессов, влияющих на работоспособность изделий.
426
5, Комплексные системы управления качеством продукции
1.	Развитие идей бездефектного труда. Управление качеством и надежностью изделий невозможно без организации специальной системы труда при проектировании, изготовлении и эксплуатации изделий, при которой обеспечивается его бездефектность и высокая эффективность. При этом основой такой системы является рассмотрение не только технических вопросов, связанных с обеспечением требований качества и надежности, но и анализ самого процесса труда, анализ работоспособности систем «человек — машина» и «коллектив—комплекс машин».
Только учет роли человека, его возможностей, его отношения к труду, взаимосвязей в коллективе позволит создать такую организацию труда, при которой высокое качество выпускаемой продукции гарантируется самой системой.
В Советском Союзе была впервые организована система бездефектного изготовления продукции, которая с 1955 г. начала внедряться на передовых предприятиях Саратовской области [581.
Эти же идеи были позже использованы американской промышленностью для разработки «системы нулевых дефектов» («Zero defects program») и промышленностью многих зарубежных стран.
Возникновение Саратовской системы связано с критическим анализом существовавших методов организации производства, когда основной метод получения изделий высокого качества заключался в постоянном обнаружении и исправлении возникающих дефектов. При этом в производстве находился значительный объем незавершенной продукции с большим числом дефектов. Отдел контроля продукции завода играл пассивную роль — он констатировал наличие дефектов и направлял их на исправление. Получение некоторого процента дефектных деталей при такой организации считалось чуть ли не неотъемлемым свойством технологического процесса.
Составление дефектных ведомостей и возврат контролером дефектных изделий на исправление считался до некоторых пор одним из основных методов, обеспечивающих выпуск качественной продукции.
Но качество изделия создается не в процессе контроля, а в процессе производства.
При Саратовской системе работа по предупреждению дефектов проводилась на предприятии по единому плану, в составлении которого принимали участие руководители всех отделов, занятых проектированием, изготовлением и контролем изделий.
Система мероприятий по повышению качества промышленной продукции основана на анализе причин, вызывающих отказы. Причины отказов изделий в эксплуатации бывают как объективного, так и субъективного характера.
427
Задача заключается в том, чтобы субъективные причины, отрицательно действующие на надежность изделий, исключить, а отрицательное влияние объективных факторов научиться измерять количественно и ограничивать до необходимых пределов.
Основным количественным показателем качества труда работников при данной системе является процент сдачи продукции с первого предъявления. Этот показатель позволил регулярно оценивать качество труда работников различных профессий, подводить ито?и соревнования за повышение качества продукции целых коллективов.
Система, разработанная на предприятиях Саратовской области, рассматривает повышение качества и надежности изделий как одно из основных средств роста производительности общественного труда.
Данная система послужила отправным пунктом для развития и возникновения новых, более совершенных систем управления изготовлением бездефектной продукции, повышением качества и надежности выпускаемых изделий. В Советском Союзе возник ряд таких систем, отражающих специфику отдельных отраслей промышленности и применяющих характерные для данной продукции показатели качества. В них воплощаются различные варианты общего методического подхода к организации бездефектного труда. Широко известны Горьковская система КАНАРСПИ (качество, надежность, ресурс с первого исполнения); Львовская система бездефектного труда СБТ, Минская, Ярославская и другие системы управления качеством и надежностью. Основные направления при развитии данных систем заключались, во-первых, в усилении внимания к самому процессу труда, а не только к объекту труда, во-вторых, к совершенствованию показателей для оценки качества и надежности и, в-третьих, к более широкому применению вычислительной техники и средств информации.
2.	Принципы, положенные в основу систем управления качеством. Еще при разработке Саратовской системы в ее основу были положены определенные принципы организации труда [58].
Идеологическую основу этой системы составляет воспитание у каждого работника коммунистического отношения к труду, личной ответственности за качество выполняемой им работы.
Организационные принципы ее построены на высокоразвитом самоконтроле, на эффективном оперативном контроле качества труда, осуществляемом всеми руководителями—от начальника самого малого подразделения до директора, на неотвратимости ответственности за отступления от заданных параметров.
Материально-технической базой системы служит организация труда и производства, опирающаяся на новейшие достижения науки и техники, передовую технологию, механизацию и автоматизацию и обеспечивающая высококачественную работу всех лиц, участвующих в создании изделия.
428
Система представляет комплекс тесно связанных между собой организационных, инженерно-технических, воспитательных и экономических мероприятий, осуществляемых на всех этапах проектирования, производства и эксплуатации промышленной продукции.
Стержнем системы является полная ответственность непосредственного исполнителя (конструктора, технолога, рабочего, мастера, начальника цеха или отдела) за качество разработанной им технической документации или изготовленной продукции.
Методы экономического стимулирования и оценка эффективности всех мероприятий является одним из главных принципов системы.
Развитие и совершенствование оснрвных положений системы привело к введению более действенных факторов, определяющих бездефектность труда и высокое качество изготовляемой продукции. Так, кроме оценки суммарных экономических показателей работы в систему целесообразно вводить и показатели, оценивающие уровень организации (организованности), качество выполненной работы (труда) и экономическую эффективность. Большую роль играет разработка показателей для оценки качества труда. При внедрении Саратовской системы применялся безразмерный коэффициент эффективности, который показывал, во сколько раз уменьшается число дефектов в данном изделии или при внедрении системы. Однако данный показатель не содержит непосредственных параметров качества изделий и лишь констатирует, а не вскрывает причинц возникновения или устранения дефектов производства. Он наиболее показателен на стадии внедрения системы. В современных системах бездефектного труда (Львовской, Минской и др.) для оценки труда исполнителей применяется коэффициент качества, максимальное значение которого равно единице, что соответствует оптимальному уровню качества труда. В зависимости от нарушений этого уровня его значение снижается на некоторую величину в соответствии с разработанными показателями качества труда отдельных категорий исполнителей. Например, для отделов главного механика — в зависимости от простоя оборудования сверх установленного времени, для ОТК — наличие межцехового возврата из-за низкого качества контроля, для отдела главного технолога — невыполнение плана подготовки производства и т. д. Достижение высокого уровня качества связывается с методами морального и материального стимулирования. Большое значение имеет соревнование за достижение лучших показателей качества как коллективами, так и отдельными исполнителями. Соревнование идет за достижение наивысшего коэффициента качества, за повышение удельного веса продукции со знаком качества, за разработку и рсвоение новых изделий на уровне мировых образцов, за право получения рабочим личного клейма за звание «лучший по профессии» или «отличник качества» и др. Система управления качеством включает обычно комплекс орга-429
низационно-технических мероприятий, таких как «Дни качества», система наглядной информации о достигнутом уровне качества, распространение опыта, обучение работников научным основам качества и стандартизации, разработка документации по управлению качеством и доведение ее до каждого исполнителя и др. [85].
Создание системы управления качеством продукции привело к изменению в структуре взаимосвязей на предприятии (см. рис. 140), а также к возникновению новых подразделений, таких как, например, службы надежности.
3.	Службы надежности. Для методического и организационного руководства всеми мероприятиями по повышению надежности выпускаемых изделий на предприятиях создаются специальные службы надежности.
Задачи, решаемые службами надежности, являются обязательной частью общей технической политики предприятия. Эти службы охватывают работу специализированных подразделений надежности (отдел, бюро, группа, лаборатория и др.), отдела технического контроля, лаборатории входного контроля, цеховых лабораторий по технологическим, специальным и контрольным испытаниям изделий и т. д.
Следует подчеркнуть, что задачи, стоящие перед службами надежности, отличаются от тех вопросов, которыми занимались до их организации отделы технического контроля. Если основной задачей отделов технического контроля являлась разбраковка готовых изделий на годные, соответствующие техническим условиям, и негодные, то основное назначение служб надежности — это изучение и анализ возможных причин недостаточной надежности изделий и разработка практических мероприятий по предупреждению самой возможности изготовления ненадежных изделий.
Причины недостаточной надежности изделий возникают и в процессе проектирования, и в процессе производства, и в процессе эксплуатации. Поэтому работники служб надежности участвуют во всех мероприятиях, связанных с обеспечением требуемого уровня надежности изделий, начиная от разработки технического задания на проектирование нового образца и кончая составлением инструкции по эксплуатации серийно выпускаемых изделий.
Если отделы технического контроля выявляют и устраняют главным образом субъективные причины снижения качества изделий из-за ошибок отдельных исполнителей (отклонение от чертежа, нарушение технологии, неправильные режимы и условия эксплуатации), то службы надежности выявляют объективные причины снижения или недостаточного уровня надежности и дают рекомендации по их устранению. Служба надежности на предприятии может включать группы: по оценке уровня надежности выпускаемых изделий; по контролю надежности изделий в процессе производства; по изучению опыта эксплуатации и по сбору информации, а также лабораторию испытаний на надежность.
430
Конечной целью деятельности подразделений надежности предприятия является обеспечение совместно с другими основными подразделениями установленных показателей надежности и технического ресурса создаваемых изделий и изыскание мер по доведению их до оптимальных значений.
Подразделения надежности наблюдают за уровнем надежности изделий не только на стадиях проектирования и производства, но и при их транспортировании, эксплуатации и хранении.
Служба надежности осуществляет методическое руководство работой всех подразделений и служб предприятия и координирует их усилия, направленные на повышение надежности и долговечности выпускаемых изделий.
4.	Система мероприятий по повышению надежности. В системах управления качеством заложены также и основы для создания высоконадежных изделий, поскольку высокое начальное качество машины создает условие и для длительного его сохранения в процессе эксплуатации. Однако связь начального качества изделия с его надежностью, как это было видно из вышеизложенного (см. часть I), является достаточно сложной и зависит от многих факторов, которые не влияют на начальное качество изделия и не учитываются в процессе производства. Например, износостойкость применяемых материалов, ремонтопригодность конструкции, запас точности по основным сопряжениям, длительное сохранение стабильности формы и размеров изделия и другие показатели могут не контролироваться в процессе производства, однако они окажут решающее влияние на надежность изделия. Высокое начальное качество изделия — необходимое, но недостаточное условие для достижения высоких показателей надежности.
Поэтому для тех изделий, показатели надежности которых имеют решающее значение, при разработке систем по управлению качеством делается акцент на мероприятия, которые связаны с обеспечением длительного сохранения работоспособности изделия.
Трудность разработки мероприятий по повышению надежности заключается в том, что их результат сказывается лишь через определенный, достаточно длительный промежуток времени, и что должна быть установлена достоверная связь между технологическими мероприятиями и долговечностью изделия.
Примером может служить система НОРМ (научная организация работ по увеличению моторесурса), разработанная на Ярославском производственном объединении «Автодизель» [55].
Основная цель системы — увеличение долговечности двигателей. Так, завод добился выпуска четырехтактных автомобильных дизельных двигателей с ресурсом 8000 ч в 1973 г. и 10 000 ч — в 1975 г.
Для этой цели был проведен комплекс мероприятий, состоящий из следующих основных этапов: определение фактического значения моторесурса и оценка его оптимального уровня; разработка - плана конструкторско-технологических мероприятий по
431
освоению двигателя с повышенным ресурсом в массовом производстве; проверка эффективности разработанных мероприятий.
Для реализации этих мероприятий был расширен фронт научно-исследовательских работ, созданы специализированные лаборатории (пр@чности, надежности), разработана методика ускоренных испытаний двигателя и его отдельных узлов. Создана система сбора и обработки информации о работе двигателей в различных условиях эксплуатации. Все это позволило разработать конструктивно-технологические методы по улучшению работы узлов и деталей двигателя, совершенствованию технологии их изготовления и применяемых материалов.
Управление качеством и надежностью изделий в процессе их проектирования и изготовления — гарантия их высокой работоспособности при эксплуатации.
5.	О материальном и моральном стимулировании качества труда. Учитывая роль человека в производственном процессе создания продукции, следует подчеркнуть значение материального и морального стимулирования его качественного труда. При разработке систем управления качеством этим вопросам уделяется существенное внимание. Для разработки материальных форм поощрения надо иметь методический подход к построению шкалы премирования или, как говорят, следует выбрать «функцию поощрения». Для этой цели применяют экономико-математические и статистические методы с учетом зависимости размера премии как от качества продукции, так и от качества самого труда. Далеко не безразлично, как получено данное качество изделия — при планомерном его изготовлении с соблюдением установленных организационно-технологических параметров или за счет перенапряжения работников, штурмовщины, при применении дополнительных технологических операций. Не меньшее (если не большее) значение для управления качеством имеет моральное поощрение: присвоение почетных званий, вручение грамот, широкая гласность достижений и другие методы морального поощрения и, с другой стороны, нетерпимое отношение к тем, кто нарушает производственную дисциплину, мешает организации бездефектного труда. Необходимо также, чтобы все работники ощущали полезность своего труда, правильность применяемых организационно-технических мероприятий, знали о назначении и роли в народном хозяйстве тех изделий, которые выпускаются предприятием, были бы патриотами своей фирмы и своей специальности.
ГЛАВА 10
ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ МАШИН
1. Роль технологии в обеспечении надежности машин
1. Связь параметров технологического процесса с показателями надежности изделия. Технологический процесс изготовления, сборки и контроля изделия должен с наименьшими затратами времени и средств обеспечить требуемый уровень качества продукции, включая и надежность. Однако связь параметров технологического процесса с надежностью готового изделия весьма сложна и, кроме того, требования надежности, как правило, вступают в противоречие с такими основными требованиями к технологическому процессу, как его производительность и экономичность.
Технологу обычно трудно представить веское обоснование того или иного мероприятия, связанного с повышением надежности изделия, так как его результаты скажутся лишь через длительный промежуток времени и не в сфере деятельности данного предприятия. Вместе с тем вся организация производства данного изделия, применяемые технологические процессы и методы контроля оказывают решающее влияние на показатели надежности.
Зависимость показателей надежности от уровня технологического процесса можно представить следующей схемой:
Технологический процесс (виды и после» довательность операций, режимы, методы контроля)
Параметры качества изготовления изделия (точность, качество поверхности, механические свойства, структура и др.)
Эксплуатационные свойства изделия (износостойкость, усталостная прочность, антикоррозионность и др.)
	Показатели надежности (ресурс, вероятность безотказной работы и др.)
Все компоненты технологического процесса — метод обработки и применяемое оборудование, последовательность операций, режимы обработки, методы контроля — определяют его выходные параметры и в первую очередь показатели качества изделия, указанные конструктором в ТУ — его точность, качество поверхности, механические свойства и др.
Раскрытию взаимосвязей между показателями технологического процесса и его выходными параметрами посвящена дисциплина «Технология машиностроения», однако для решения вопросов надежности этого недостаточно. Показатели надежности связаны не с выходными параметрами технологического процесса,
433
а с эксплуатационными свойствами изделия, его износостойкостью, усталостной прочностью, коррозионной стойкостью, теплостойкостью и др. Зависимость эксплуатационных свойств изделия от показателей качества готового изделия весьма сложна по следующим причинам.
Во-первых, процесс потери работоспособности, имея определенную физическую природу, подчиняется закономерностям случайных функций из-за переменности условий эксплуатации и нестабильности технологического процесса.
Во-вторых, из-за сложности большинства технологических процессов и возникающих побочных явлений трудно выявить все те параметры процесса, которые действительно влияют на эксплуатационные свойства изделия.
Раскрытие зависимостей между качеством изделия и его эксплуатационными свойствами базируется на изучении физических процессов разрушения материалов (см. гл. 2).
Наконец, как это видно из вышеприведенной схемы, эксплуатационные свойства изделия связаны с показателями надежности зависимостями, которые были рассмотрены в ч. I и II книги.
Таким образом, технологический процесс оказывает непосредственное и существенное влияние на показатели надежности, хотя эти связи сложны и многоэтапны, и не являются очевидными.
Совершенство технологического процесса во многом определяет и достигнутый уровень надежности изделия, так как именно в процессе изготовления обеспечивается заложенная конструктором надежность. Технологические методы обеспечения надежности имеют такое же решающее значение как конструктивные и эксплуатационные. Однако до настоящего времени роль технологии в проблеме надежности еще полностью не определена. Анализ исследований и практических разработок, которые ведутся в области повышения надежности за счет технологии, показывает, что не всегда имеется четкое представление о том круге вопросов, которые должна решать технология.
Ведь всякое развитие и улучшение технологического процесса приводит в конечном счете к созданию более совершенных машин. Где же та грань, которая отделяет технологические проблемы надежности от технологических проблем вообще? Что является критерием для установления связей между технологией и надежностью?
Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо проанализировать причины отказов, связанных с несовершенством технологических процессов, так как именно они являются критерием для установления основных направлений по разработке таких технологических процессов, которые должны обеспечить требуемый уровень надежности выпускаемых изделий.
2. Отказы, связанные с технологией изготовления изделий. Все отказы изделия связаны с технологией, так как именно она определяет уровень качества и все свойства, полученные в про-434
цессе изготовления и сборки изделия. Однако часть отказов может относиться к недопустимым, когда характер отказа или скорость протекания процесса повреждения не отвечает установленным для изделия требованиям.
Такие отказы являются следствием несовершенства технологического процесса, его несоответствия требуемому уровню надежности. Классификация причин, вызывающих недопустимые отказы по вине технологии, приведена на рис. 142.
Первая группа причин связана с необоснованностью технических условий на параметры изделия и на допуски его элементов, с несовершенством принятой технологической документации, с недостатками методов испытания на надежность готового изделия и его механизмов.
Технические условия на изделие должны отражать основные требования надежности. Можно привести немало примеров, когда одинаковые изделия, выполненные в точном соответствии с техническими условиями на них, обладают неодинаковыми показателями надежности, если они изготовлены различными технологическими методами. Это связано с тем, что ТУ на изделия часто не отражают всех основных требований к изделию, которые определяют его надежность, не учитывают те новые свойства, которые приобретает изделие в процессе его изготовления. Связи между технологическим процессом и эксплуатационными свойствами изделий обычно достаточно сложны и не всегда выявлены.
В качестве типичного примера можно упомянуть о влиянии тех-
435
нологического процесса механической обработки на качество поверхностного слоя изготовленных деталей.
Технологический процесс определяет геометрические [172] и физико-химические параметры поверхностного слоя — шероховатость поверхности, ее топографию, твердость, остаточные напряжения, структуру и другие показатели (см. гл. 2, п. 2). Эти показатели в свою очередь определяют эксплуатационные свойства изделий — износостойкость [197] и усталостную прочность 11891.
Технические условия на изделия, как правило, не регламентируют значений основных параметров поверхностного слоя и часто ограничиваются указанием шероховатости поверхности и ее микротвердости. Не всегда учитываются также последовательность и структура операций, режимы обработки, различные методы обработки, которые выбираются в основном из условия получения высокой производительности. В результате различные технологические процессы приводят к изготовлению деталей разного уровня надежности, как можно видеть на примере турбинных лопаток, прецизионных шпинделей, сложных корпусов и других ответственных деталей.
Чем выше требования к надежности изделий, тем большее число параметров должно быть оговорено техническими условиями и тем достовернее должны быть определены основные взаимосвязи между эксплуатационными и технологическими параметрами изделия. Необходимо также, чтобы методы испытаний изделий давали оценку уровня их надежности. Если оценка надежности готового изделия отсутствует или обладает недостаточной степенью достоверности, то возможно, что его невыявленные характеристики приведут к преждевременным отказам. Сложность разработки методов и средств испытания изделий на надежность привела к тому, что они стали самостоятельной областью в проблеме надежности (см. гл. 11).
Вторая группа причин, которая приводит к недопустимым отказам по вине технологии, связана с недостаточной надежностью самого технологического процесса. Технологический комплекс является сложной динамической системой с большим числом взаимосвязей, он характеризуется многими выходными параметрами.
Чтобы обеспечить выпуск качественной и надежной продукции, эта система сама должна обладать высокой надежностью, что связано со степенью совершенства технологического процесса, его стабильностью, методами контроля и другими факторами (гл. 10, п. 2).
Третья группа причин возникновения недопустимых отказов связана с остаточными и побочными явлениями, порождаемыми технологическим процессом. Современные технологические процессы изготовления изделий, начиная от обработки заготовок и кончая финишными операциями, сопровождаются, как правило, значительными силовыми и температурными воздействиями на деталь 436
Рис. 143. Зависимость скорости разрушения (износа) у от параметра X, зависящего от технологического процесса
при высоких требованиях к точности и производительности процесса.
Затраты энергии, необходимые для осуществления данного технологического процесса, приводят к целому ряду побочных явлений, которые изменяют свойства изделий, создают в них остаточные напряжения, искажают структуру материала, приводят к появлению дефектов самого разнообразного характера (см. гл. 10, п. 5).
Для целенаправленной борьбы с
перечисленными причинами
необходимо знать взаимосвязи технологических и эксплуатаци-
онных параметров.
3. Влияние параметров технологического процесса на износостойкость поверхностей. Показатели качества изготовления изделий, как следствия принятого технологического процесса, оказывают непосредственное влияние на такое основное эксплуатационное свойство, как износостойкость поверхности. Во-первых, как это было показано выше, на износостойкость влияют химический
состав, структура и механические характеристики материалов (см. гл. 5, п. 2 и п. 5), которые зависят от металлургических или других процессов получения материалов, от термических и термохимических видов обработки поверхностей. Во-вторых, износостойкость зависит от геометрических и физико-химических параметров поверхностного слоя (см. гл. 2, п. 2). При этом отклонения формы деталей увеличивают период макроприработки (см. гл. 8, п. 3), а шероховатость поверхности влияет на период микроприработки, поскольку в процессе нормального изнашивания устанавливается оптимальная шероховатость, соответствующая данным условиям работы сопряжения (см. рис. 74).
Следует иметь в виду, что связи между технологическими и эксплуатационными параметрами имеют стохастическую природу из-за рассеивания состава материала, положения детали при обработке, жесткости технологической системы и других причин, определяющих точность и стабильность процесса обработки.
На рис. 143 приведена схема влияния рассеивания некоторого параметра X изделия, обеспеченного в результате данного технологического процесса, на скорость разрушения (износа) у, которая связана с этим параметром функциональной зависимостью (функция случайного аргумента) у = f (X).
Например, для многих видов износа поверхностей параметром изделия, влияющим на скорость изнашивания у, будет твердость
437
материала X = Hv\ они связаны зависимостью ? = -£-, где k — коэффициент, зависящий от материала и условий изнашивания.
Рассеивание значений твердости материала приводит к соответственному рассеиванию скоростей изнашивания, а при возможности получения изделий с низкими значениями Хн изделие будет иметь недопустимо высокую скорость изнашивания ун, что может привести к преждевременному отказу.
Естественно, что повышение стабильности технологического процесса и контроль за недопустимостью изготовления изделий с параметрами ниже Xmln обеспечат выпуск надежных изделий. Однако этот вопрос не является таким простым, как кажется с первого взгляда.
Во-первых, часто неизвестна функциональная зависимость (или она является стохастической) между параметром X и скоростью процесса разрушения, поэтому допуск на данный параметр устанавливается весьма условно, обычно на основе опыта эксплуатации изделий даного типа.
Во-вторых, на величину у, как правило, влияет не один, а несколько технологических параметров, причем не все они подвергаются контролю.
Например, на скорость (интенсивность) изнашивания несмазанных шероховатых поверхностей влияет не только твердость материала Hv, но и характеристика шероховатости поверхности (v + 1) tg а, где v — показатель опорной поверхности (для различных классов шероховатости обычно лежит в пределах от 1,2 до 2) и а — угол наклона неровностей [951. В этом случае параметр X, определяющий скорость изнашивания у, зависит от нескольких (в данном случае трех) технологических факторов:
X = tf0(v-f-!)tga.	(1)
При изготовлении деталей значение tg а, как правило, не контролируется. Но даже если это и осуществляется, то дисперсия X значительна, так как зависит от дисперсии трех случайных аргументов и в результате возрастает вероятность изготовления деталей с недопустимым значением ун. Реальная ситуация, которая имеет место при изготовлении сложных изделий, заключается в том, что число контролируемых параметров меньше, чем число факторов, влияющих на надежность, а допуски на технологические параметры весьма условны и лишь приблизительно отражают их связь с надежностью изделий.
В этих условиях одним из основных методов выпуска надежных изделий является обеспечение надежности самого технологического процесса, и создание запаса в значениях параметров, определяющих работоспособность изделия (см. гл. 10, п. 2).
4. Влияние параметров технологического процесса на усталостную прочность деталей. На усталостную прочность оказывают влияние как характеристики материала, так и состояние его 438
поверхностных слоев и наличие дефектов [133]. Например, возникающие в поверхностном слое при механической обработке растягивающие остаточные напряжения обычно снижают предел выносливости, сжимающие, наоборот, могут улучшить прочностные характеристики. Это влияние особенно сказывается на деталях, работающих при знакопеременных нагрузках и высоких температурах. Поэтому для них важно выбрать оптимальный технологический процесс обработки, обеспечивающий необходимые физические параметры поверхностного слоя.
Известно также, что параметры шероховатости поверхности оказывают существенное влияние на сопротивление усталости. В общем случае предел усталости повышается с улучшением качества поверхностного слоя. Кроме того, на них влияет направление следов обработки: при их совпадении с действием главного напряжения предел усталости выше. Финишная обработка поверхности, которая в основном определяет конфигурацию микроскопических рисок и механические свойства поверхностного слоя, существенно влияет на предел выносливости даже при одинаковом классе шероховатости. Например, в работе [127] приведены результаты испытаний на выносливость образцов из сталей Р18, 9ХМФИ9Х, обработанных алмазным и обычным шлифованием. Сопротивляемость усталостному разрушению при шлифовании кругами из синтетических алмазов повышается на 20—45% при контактных нагрузках и до 30% при изгибе. Это связано с характеристикой рельефа поверхности, когда число царапин на единицу поверхности и их глубина значительно меньше при алмазном шлифовании, чем при абразивном, а рельеф становится более гладким (см. также рис. 150). Проведенные исследования позволили повысить стойкость валков для станов холодной прокатки вследствие правильного выбора технологического процесса.
5. Влияние параметров технологического процесса на коррозионную стойкость изделий. Для защиты металлов от коррозии широко применяются различные виды покрытий — электролитические, химические, полимерные.
Коррозионная стойкость этих покрытий, как эксплуатационное свойство изделий, находящихся под воздействием агрессивных сред, зависит не только от вида покрытия, но и от режимов их нанесения, условий, в которых осуществляется технологический процесс, возможности регулировать и контролировать его протекание.
Коррозионная стойкость связана с такими показателями, как сплошность, однородность покрытия по составу, стабильность по толщине.
При нанесении полимерных покрытий их часто делают многослойными. В этом случае технологический процесс может обладать большим диапазоном условий обработки, что приводит к рассеиванию начальных параметров изделий и их существенной зависимости от режимов обработки.
439
Более сложные технологические задачи возникают при применении покрытий, котррые помимо коррозионной стойкости должны также быть износостойкими или обеспечивать сопротивляемость усталостному разрушению.
Интенсивные коррозионные разрушения характерны для конструкций, работающих в жидких средах, вызывающих электрохимическую коррозию. Особенно опасный вид разрушения — коррозионное растрескивание — возникает при одновременном действии коррозионной среды и статических или повторно-статических нагрузок. При этом свойства металла, определяющие его восприимчивость к коррозионному воздействию среды, непосредственно связаны с параметрами технологического процесса.
Технологические операции, применяемые в процессе изготовления изделия, могут существенно снизить начальную термодинамическую и электрохимическую устойчивость металла в связи с возникшей неоднородностью его структуры, из-за упругопластического состояния, изменения физических и других свойств; Например, для сварных соединений и конструкций определяющими являются теплофизическое и химико-металлургическое воздействие сварки. Как показали исследования д-ра техн, наук О. И. Стеклова [188], различие в скоростях коррозионного растрескивания связано с характеристикой полей остаточных упругопластических деформаций и собственной потенциальной энергией, присущих каждому способу сварки.
Определяющее влияние на интенсивность растрескивания оказывает получение качественного сварного соединения без дефектов шва. Коррозионное растрескивание можно предотвратить снятием остаточных напряжений, например, механическим деформированием.
Последовательность технологических операций, применяемые методы и режимы обработки оказывают непосредственное влияние на износостойкость, прочность, коррозионную стойкость, теплостойкость, стабильность механических и физических свойств и другие эксплуатационные показатели изделий.
2. Надежность технологического процесса
1.	Особенности технологических систем с позиций надежности^ Технологический процесс — это сложная динамическая система, в которой в единый комплекс объединены оборудование, средства контроля и управления, вспомогательные и транспортные устройства, обрабатывающий инструмент или среды, находящиеся в постоянном движении и изменении, объекты производства (заготовки, полуфабрикаты, готовые изделия) и, наконец, люди, осуществляющие процесс или управляющие им. Для выполнения поставленных задач, как указывалось выше, этот процесс сам должен обладать высокой надежностью.
440
Технологические системы с позиции надежности характеризуются специфическими особенностями, которые, с одной стороны, затрудняют решение этой задачи, а с другой — обладают целым рядом положительных свойств и возможностей.
Трудности в обеспечении надежности технологического процесса связаны с большой сложностью технологических систем, наличием многочисленных и разнообразных взаимосвязей, с высокими требованиями к его надежности. Сделаем такой гипотетический расчет. Пусть современная сложная машина состоит из п = К)5 деталей. Каждая деталь при обработке подвергается большому числу операций и переходов, при этом одновременно контролируются в среднем 100 параметров. Тогда у машины в процессе ее изготовления должно выдерживаться и контролироваться 10’ параметров. Примем, что только один параметр из 1000 влияет на надежность, тогда с надежностью машины связано 104 параметров. Если на каждой операции, связанной с обеспечением данного параметра (точности, шероховатости, твердости, химсостава, жесткости, прочности и т.п.),будет возникать один отказ на 10 000 изделий, когда значения параметра выйдут за пределы допуска, то вероятность безотказности технологического процесса на данной операции будет Р (t) = 0,9999. Однако в этом случае каждая машина в среднем будет иметь один недопустимый отказ, связанный с технологическим процессом. Таким образом, достаточно высокая надежность осуществления технологического процесса на отдельной операции приводит к недопустимым характеристикам надежности технологического процесса изготовления всей машины, что говорите чрезвычайно высоких требованиях, которые должны предъявляться к надежности осуществления технологического процесса.
Вместе с тем технологические системы обладают и такими свойствами, которые облегчают задачу обеспечения высокой надежности технологического процесса. Это, во-первых, возможность изменять структуру системы и ее элементов — вводить дополнительный контроль, разбивать операции на ряд переходов, ужесточать требования к отдельным операциям, изменять режимы работы — что непосредственно отражается на надежности технологического процесса, во-вторых технологические системы могут обладать свойством саморегулирования (адаптации) и при изменении условий, в которых протекает технологический процесс, автоматически или за счет целенаправленных действий людей изменять свои параметры, обеспечивая требуемый уровень надежности.
Одной из основных особенностей технологического процесса является взаимодействие его качественных и количественных показателей. При осуществлении любого технологического процесса имеется, как правило, стремление обеспечить и требуемый уровень качества и высокую производительность процесса. Однако эти две стороны нередко вступают в противоречие — повы-
441
шение производительности может привести к снижению качества и, наоборот, более высокое качество может быть получено за счет низкой производительности. Поэтому надежность технологического процесса должна быть обеспечена как по качественным, так и по количественным показателям.
2.	Понятие надежности технологического процесса. Исходя из вышесказанного, можно дать следующее определение: надежность технологического процесса — это его свойство обеспечивать изготовление продукции в заданном объеме, сохраняя во времени установленные требования к ее качеству.
Таким образом, технологическая система должна быть-работоспособна как по показателям качества, так и по производительности.
Свойство надежности технологического процесса отличается от понятия точности и стабильности. Согласно ГОСТ 16949—71 под точностью понимается свойство технологического процесса обеспечивать соответствие поля рассеивания значений показателя качества изготовления продукции заданному полю допуска и его расположению; стабильность — свойство технологического процесса сохранять показатели качества изготовляемой продукции в заданных пределах в течение некоторого времени. Из определений следует, что точность характеризует технологический процесс в некоторый фиксированый момент времени, в статике. Надежность же — понятие динамическое. Поэтому точность следует рассматривать как составную часть свойства надежности системы. Понятие стабильности характеризует технологический процесс только с позиции сохранения в заданных пределах показателей качества продукции, не затрагивая вопросов об изменении с течением времени производительности. Кроме того, стабильным будет и такой технологический процесс, при котором изготовляется продукция с отклонениями от требований технической документации. Технологический процесс может быть стабильным, но иметь низкую надежность.
Надежность технологических систем должна оцениваться только по тем параметрам и показателям качества изделия, уровень которых зависит от технологии изготовления.
При расчете надежности технологических систем следует исходить из того, что в конструкторской документации однозначно заданы номинальные значения и показатели качества готового изделия. Задача технолога оценить насколько процесс изготовления обеспечивает соблюдение установленных требований, не рассматривая технический уровень самих изделий. Поэтому технологический процесс может обладать высокой надежностью, хотя получаемая при его реализации продукция будет относиться к низкой категории качества, или морально устареть.
Показатели, которыми оценивается надежность технологического процесса, те же, что и для оценки надежности любой системы. При этом под безотказностью данного процесса понимается веро-442
ятность нахождения его технологических параметров в допустимых пределах в течение рассматриваемого периода времени.
Отказы технологических систем могут быть постепенными и внезапными. Постепенные отказы связаны с процессами износа технологического оборудования, инструмента, оснастки и средств контроля, с температурными деформациями, химическими воздействиями и т. п. Внезапные отказы могут быть вызваны ошибками людей (наладчика, контролера), быть следствием дефектов в заготовках и комплектующих изделиях при недостаточном входном контроле и т. п. Эти отказы сводятся к минимуму при организации эффективной системы по управлению качеством (см. гл. 9).
3.	Схема формирования показателей надежности технологического процесса. Формирование выходных параметров изделия в процессе его изготовления имеет свою специфику, связанную со структурой технологического процесса, методами контроля, надежностью осуществления отдельных операций и переходов. Рассмотрим схему оценки надежности технологического процесса, состоящего из п последовательных'операций (рис. 144). В результате этого техпроцесса должно быть обеспечено нахождение т параметров Хг; Х2; • • •*, в пределах допуска. Вероятность Р (/) выхода любого из параметров за пределы допуска в течение заданного периода t — Т определит безотказность данного технологического процесса. Формирование выходных параметров происходит в результате последовательной обработки заготовок и полуфабрикатов, причем для каждой операции, как правило, назначены свои выходные параметры, которые должны быть обеспечены в результате данного этапа обработки.
Поэтому каждая операция также характеризуется вероятностью Pi (t) осуществления на ней технологического процесса. Однако вероятность безотказного осуществления технологического процесса на всей цепочке не равна произведению соответствующих вероятностей Pt (/) для каждой операции (она обычно выше этого значения) из-за особенностей формирования выходных параметров всего техпроцесса, которые заключаются в следующем.
Рис. 144. Схема формирования показателей надежности технологического процесса
443
1.	Основное формирование выходных параметров происходит на последних (финишных) операциях, а параметры, контролируемые на промежуточных операциях, затем изменяются и их значение не играет существенной роли. Например, точность обработки по диаметру отверстия при сверлении и зенкеровании полностью определяется финишной операцией (зенкерованием). Поэтому лишь часть параметров промежуточных операций переходит в разряд выходных параметров техпроцесса (I группа, рис. 144). Чем ближе данная операция к окончательному изготовлению изделия, тем больше ее влияние на выходные параметры изделия. Исключение составляют обычно характеристики материала, которые являются входными параметрами технологического процесса, но определяют в большой степени и его окончательные свойства.
2.	Большинство параметров финишных операций непосредственно определяет надежность технологического процесса, так как именно здесь происходит окончательное формирование показателей качества изделий. Именно вероятность их получения в пределах допуска во многом определит надежность всего технологического процесса (параметры II группы, рис. 144).
3.	Вместе с тем имеются и такие параметрьГфинишных операций, на обеспечение которых влияет характер предыдущих операций. Здесь имеет место так называемая технологическая наследственность (см. гл. 10, п. 5), которая проявляется во влиянии качества осуществления предыдущих операций на последующие. Например, нарушение точности обработки центровых отверстий ступенчатого вала приведет к_ возникновению погрешностей обработки при последующей его обточке в жестких центрах многорезцового полуавтомата. Поэтому часть выходных параметров финишной операции (III группа, рис. 144) функционально связана с параметрами предыдущих промежуточных операций.
Вероятность безотказного выполнения технологического процесса выразится как произведение соответствующих вероятностей по группам отказов. При этом отказы группы III должны рассматриваться как зависимые, связанные с вероятностью их возникновения на предыдущих операциях.
Данная оценка надежности процесса не учитывает роли и возможностей контрольных операций, которые с позиций схемной надежности играют роль резервных элементов и существенно повышают надежность технологического процесса. Действительно, если получен отказ по данному параметру и параметр вышел за пределы допуска, то контрольная операция исключает это изделие, действуя как резервный элемент, ликвидирующий последствия отказа.
Однако такие возможности не безграничны. Во-первых, следует стремиться к минимуму контрольных операций, наличие которых требует дополнительных материальных затрат. Во-вторых, сам процесс контроля имеет определенный уровень надежности и, в-третьих, не все параметры и не Все изделия подвергаются кон-444
тролю, а отбраковка большого числа изделий недопустима с экономических позиций.
Рассмотрим конечный результат формирования т выходных параметров некоторой технологической цепочки (см. рис. 144), считая, что для каждого из параметров определена вероятность Рх1 его получения в пределах допуска. Эта вероятность учитывает принадлежность параметра к одной из трех категорий и наличие для части из них промежуточного контроля. В конце технологической цепочки по ряду параметров производится выходной контроль, эффективность которого характеризуется вероятностью Рл отбраковки изделий, имеющих параметры за пределами допуска. Контрольные операции не обладают 100%-ной гарантией отбраковки в случае применения статистических методов контроля (суждение о годности изделия по выборке) и с учетом метрологической надежности измерительных приборов [35].
В этом случае в структурной схеме надежности контрольная операция является резервом (дублером) технологической цепочки, вероятность которого равна Рк. Поэтому для оценки вероятности безотказного осуществления техпроцесса можно написать следующую формулу (см. гл. 4, п. 2):
т
Р(/) = П[1 —(1—РХ|)(1—Рк)].	(2)
1
Для неконтролируемых параметров Рк = 0, для абсолютно надежного контроля Рк = 1.
Надежность технологического процесса связана с надежностью осуществления отдельных операций, особенно финишных, что зависит от технологической надежности оборудования (см. гл. 10, п. 4), организации методов контроля (см. гл. 10, п. 3), уровня развития данного техпроцесса, от того запаса надежности, которым он обладает.
4.	Создание запаса надежности технологического процесса. В ряде случаев, особенно при освоении новых образцов машин, отказы, связанные с технологией, возникают потому, что ее уровень не соответствует возросшим требованиям к изделию, не создан запас надежности и параметры технологического процесса близки к предельным. Технологическое оборудование, методы контроля, организация технологического процесса уже перестают удовлетворять требованиям, предъявляемым для изготовления изделий с более высокими показателями их качества. Например, при повышении сложности и прецизионности изделий большое значение приобретают допуски не только на точность размеров, но и на точность формы и взаимное положение отдельных поверхностей.
Уровень технологического процесса должен обеспечивать выполнение задач по достижению необходимых показателей качества. Нельзя старыми методами изготовить изделие с повышенными требованиями к его параметрам.
445
Наблюдая тенденции развития современных технологических процессов, можно отметить такие характерные направления, как повышение прецизионности процесса, развитие методов упрочняющей технологии, применение покрытий, получение сверхчистых и однородных материалов с высокой сопротивляемостью внешним воздействиям, получение высокого качества поверхностного слоя и другие, которые являются необходимым условием для выпуска надежной продукции.
Технологические процессы при ремонте машин также должны соответствовать уровню технологических процессов при ее изготовлении. Анализ отказов машин во многих случаях указывает на повышение их интенсивности после проведения ремонтных операций. Это связано с тем, что в результате ряда причин (отсутствие соответствующей технологической оснастки, недостаточно высокая квалификация рабочих, отсутствие технической документации, специфические условия ремонта и т. д.) технологические процессы при ремонте машин не обеспечивают выполнения всех ТУ на изделие и его элементы или обладают другими характеристиками при тех же контролируемых параметрах. Технологические процессы, применяемые при ремонте машины, должны выбираться и осуществляться с теми же высокими требованиями, как и при изготовлении изделий.
Те отрасли промышленности, к изделиям которых предъявляются повышенные требования, особое внимание при внедрении новых технологических процессов уделяют их надежности. Так, например, более широкое применение точных отливок в авиационной промышленности привело к необходимости проведения таких мероприятий как строгая приемка материалов, поступающих со стороны, повышение точности пресс-форм, создание более совершенных технологических процессов монтажа моделей, приготовления покрытий и изготовления форм, тщательный контроль шихты, плавки, заливки, очистки отливок и их термообработки, механические испытания образцов, вырезанных из отливки, систематическая проверка контрольно-измерительной аппаратуры и инструмента и др.
Решающее влияние на надежность технологического процесса и создание запаса надежности оказывает автоматизация технологического процесса, которая создает условия для стабильного протекания технологического процесса, обеспечивает управление его ходом и более высокую однородность изделий, чем при изготовлении с участием человека. Возможности человека по принятию разнообразных целенаправленных решений для получения изделий более высокого качества имеют и другую сторону — вероятность осуществления таких воздействий, которые приведут к «выбросу» показателей качества. Так, например, из-за утомляемости возможно изготовление станочником неточной детали и пропуск брака контролером. Автоматизация технологического процесса, когда все операции’осуществляют механизмы без непо-446
средственного участия рабочего, не только способствует повышению производительности процесса, но и является ключом для решения проблемы качества. Технологический процесс становится более стабильным, он не подвержен в такой степени, как при ручной обработке, опасности резких отклонений от установленного уровня качества, в него органически могут быть включены функции контроля и управления ходом процесса.
Наиболее высокий эффект может быть достигнут, если процесс обладает функциями самонастройки (адаптации), когда при изменении условий, в которых он осуществляется, автоматически изменяются и параметры процесса. Создание самонастраивающегося и саморегулируемого оборудования, которое подобно живым организмам обладает функциями приспособления к изменившимся условиям работы и восстановления утраченной работоспособности, позволит всей технологической системе осуществлять свои функции длительное время, не опасаясь как внешних воздействий, так и процессов, происходящих в самих машинах.
Эта проблема тесно связана с применением и развитием методов активного контроля (см. гл. 10, п. 3) и созданием нового типа технологического оборудования (см. гл. 10, п. 4).
Применение методов и средств автоматики не только для получения количественных показателей технологического процесса (его производительности), но и для обеспечения его качественных параметров в течение длительного периода — прогрессивное направление технологического аспекта надежности.
5.	Упрочняющая технология. Повышение запаса надежности технологического процесса можно обеспечить за счет введения специальных видов обработки, повышающих износостойкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость изделий. Для этих целей применяются технологические процессы, упрочняющие поверхностный слой, придающие ему особые свойства [60; 113]. Сюда относятся как процессы химико-термической обработки (закалка, цементация, азотирование, цианирование и др.), так и упрочняющая технология, основанная на пластическом деформировании поверхностей, а также различные специальные методы.
При применении методов поверхностной пластической деформации в результате наклепа в поверхностных слоях видоизменяются форма и размеры кристаллических зерен, повышается твердость и образуются сжимающие напряжения, способствующие повышению износостойкости и сопротивляемости усталостным разрушениям. Эффективность наклепа таких деталей, как листовые рессоры, повышается при обработке их в напряженном состоянии, совпадающем с тем, которое имеет место при эксплуатации.
Сравнительно недавно предложен новый метод поверхностного упрочнения—алмазное выглаживание. Для выглаживания используется инструмент из алмаза, сапфира или корунда со сферической или цилиндрической рабочей частью радиусом от 0,5 до 3 мм 1213].
447
Высокая твердость, износостойкость, теплопроводность инструмента, а также сравнительно низкий коэффициент трения пары алмаз—металл обеспечивают высокую эффективность использования этого метода обработки.
Наиболее целесообразно применять выглаживание для достижения шероховатости поверхности 10-го класса и выше. Рекомендуемая исходная шероховатость — 7—8-й классы. При выглаживании происходит упрочнение поверхностного слоя на глубину 0,5—1,5 мм со степенью наклепа 15—200%.
Следует отметить, что при выглаживании деталей их поверхностный слой свободен от абразивных включений, что улучшает эксплуатационные характеристики деталей машин. В поверхностном слое при выглаживании обычно возникают сжимающие остаточные напряжения, повышающие предел текучести материала.
Следует отметить, что обычные методы чистовой обработки поверхностей (чистовое точение, шлифование, полирование и др.) также упрочняют поверхностный слой и изменяют его исходные свойства (см. гл. 2, п. 2).
В машиностроении широко применяются также различные антифрикционные и антикоррозионные покрытия, нанесенные методами наплавки или металлизации, напылением, электрохимическим или другими способами. При помощи этих методов поверхностному слою придаются практически любые свойства, независимо от характеристик исходного материала. Широко распространены методы хромирования, никелирования, борирования, оста-ливания и др. Они, как правило, существенно повышают сроки службы деталей машин. Например, покрытие хромом дает возможность значительно увеличить срок службы цилиндров двигателей внутреннего сгорания и сопряженных с ними нехромированных поршневых колец.
В практике машиностроения находят также применение такие методы поверхностного упрочнения, как плазменное напыление и плазменная наплавка сверхтвердыми материалами, в том числе карбидами, боридами, окислами и др. Они позволяют до пяти и более раз увеличивать срок службы деталей. Возможно применение различных комбинированных методов упрочнения, например, сочетание плазменного напыления с последующей термической обработкой тонкого поверхностного слоя.
Имеются попытки применять упрочнение трением, электроискровым методом, а также различного рода облучением (электронным, дейтронным, ионным).
Весьма эффективны методы упрочнения деталей машин путем нанесения на трущиеся поверхности тонкого слоя из карбидов титана, вольфрама и некоторых других элементов. Толщина упрочненного слоя составляет сотые доли миллиметра, а износостойкость деталей увеличивается в десятки раз.
Прогрессивным способом является применение антифрикционных материалов в виде комбинации тонкого слоя антифрикци-448
Область применения упрочняющей технологии
Таблица 21
Методы упрочнения рабочих поверхностей		Повышение сопротивляемости на													
		износ										износ и усталость		усталость	
		| абразивный 1			<D 5 (К S		усталостный \			коррозионно-механический		молекулярно-механический						
Поверхностная пластическая 	деформ аци я		1.	Дробеструйная обработка 2.	Центробежно-шариковый наклеп 3.	Обкатывание роликами и шариками 4.	Чеканка			1											
Механическая обработка	5.	Чистовое точение 6.	Чистовое фрезерование и строгание 7.	Чистовое шлифование 8.	Полирование * 9.	Хонингование 10.	Шабровка													1	1
Химико-термическая обработка 			11.	Закалка поверхности 12.	Цементация 13.	Азотирование 14.	Нитроцементация и цианирование 15.	Алитирование 16.	Хромирование 17.	Силицирование 18.	Сульфидирование			1						1	1			1	
Комбинированная обработка	19. Упрочнение наклепом закаленных деталей 20. Упрочнение наклепом деталей, подвергнутых термохимическим обработкам	-													
Наплавка, напыление	21.	Газовая наплавка 22.	Механизированная наплавка под слоем флюса 23.	Вибродуговая наплавка 24.	Упрочнение методом напыления	1										1			
15 Проников А. С.
449
Продолжение табл. 27
Методы упрочнения рабочих поверхностей
25.	Хромирование
26.	Осталивание
27.	Борирование
28	Твердое никелирование
29.	Упрочнение химическими способами
30.	Покрытие деталей пластмассами и специальными материалами
31.	Упрочнение трением
32.	Упрочнение электроискровое
Повышение сопротивляемости иа
износ
33.	Электронное облучение
34.	Дейтронное облучение
35.	Ионное облучение
онного материала со сравнительно тонкой конструкционной стальной основой. Такие материалы изготовляются в виде ленты непрерывными технологическими процессами (сталь-баббиты — заливкой на ленту, сталь-алюминиевые сплавы — совместной прокаткой, сталь-свинцовые или другие бронзы — заливкой или спеканием порошков на ленте и пр.). Из комбинированных материалов штампуются полувкладыши, втулки, упорные кольца и другие детали подшипников тракторных и автомобильных двигателей.
Для нанесения на стальную ленту пористого слоя бронзы с последующей пропиткой его чистым фторопластом'или фторопластом с наполнителем применяется метод порошковой металлургии. Нанесение пластмасс на поверхности трения деталей машин снижает коэффициент трения, а также защищает поверхность от коррозии.
Области применения различных способов упрочнения для повышения стойкости поверхностей приведены в табл. 27 [2]. 450
Применение упрочняющей технологии способствует созданию запаса надежности технологического процесса изготовления изделий, так как за счет введения специальных операций обеспечиваются более высокие эксплуатационные свойства изделия.
3. Контроль качества и надежности продукции в процессе ее изготовления
1.	Виды и организационные формы технического контроля. Контроль качества и надежности продукции в процессе ее изготовления является одним из основных методов обеспечения надежности технологического процесса. Под контролем понимается проверка соответствия продукции или процесса, от которого зависит качество продукции, установленным техническим требованиям (ГОСТ 16504—74). Поэтому контроль может относиться как к оценке качественных и количественных характеристик свойств продукции, так и к контролю режимов, характеристик и параметров технологического процесса. Контроль продукции, особенно при оценке такого его показателя качества, как надежность, может сопровождаться испытанием объекта. Испытание — это экспериментальное определение характеристик объекта, проводимое по специально разработанному плану (программе). Объектом испытания могут быть не только готовые машины и изделия, но и отдельные элементы, детали и узлы. Хотя испытания являются часто одной из стадий технологического процесса, они представляют самостоятельную область (см. гл. 11).
Для налаженного технологического процесса характерны испытания при входном и операционном контроле, т. е. при выполнении или завершении определенной технологической операции, и приемочные (или приемо-сдаточные) испытания. При внесении в конструкцию или технологию изготовления изделия каких-либо изменений проводят контрольные испытания продукции (так называемые, типовые), которые должны оценить эффективность и целесообразность внесенных изменений.
Методика контроля разрабатывается таким образом, чтобы необходимыми техническими средствами были охвачены все стадии производства и испытаний. Средства контроля должны применяться при входном контроле материалов и для комплектующих изделий, на всех стадиях технологического процесса изготовления деталей и узлов, для настройки и оценки правильности функционирования приборов и аппаратуры.
Рациональной организационной формой для разработки методов и средств контроля является создание специализированных контрольно-исследовательских лабораторий.
На машиностроительном заводе необходимо иметь лаборатории по контролю и исследованию материалов, по входному контролю, по-исследованию отказов приборов и аппаратуры и др.
15*	451
В цехах, на производственных участках организуют контрольно-проверочные пункты, а в некоторых случаях и контрольнотехнологические лаборатории. Большое значение для повышения качества и надежности изделий имеет связь изготовителей с разработчиками и заводами-поставщиками комплектующих изделий. При выпуске сложных машин часто организуют контрольно-испытательные станции, которые осуществляют комплексную проверку, регулировку и настройку систем готового изделия, широко используя средства автоматического контроля с записью параметров. Эти проверки и испытания являются основным средством оценки годности машины для эксплуатации.
Для оценки качества и надежности изделий применяются разнообразные методы их контроля и испытания.
2.	Статистические методы контроля качества продукции. Одной из важных задач, которую необходимо решить при организации системы контроля продукции на предприятии, является выбор метода контроля — сплошной или выборочный контроль продукции.
Сплошной контроль в большей степени гарантирует выпуск бездефектной продукции, однако он не всегда экономически оправдан. Для некоторых изделий затраты на стопроцентный контроль превышают затраты на их изготовление. При выборочном контроле надо иметь такие методы, чтобы по части изделий можно было судить о качестве всех изготовленных изделий. Для этой цели используются методы математической статистики, которые позволяют разработать системы и схемы контроля, определяющие необходимое число контролируемых изделий в зависимости от объема серии и степени точности, с которой должно быть оценено качество изделий.
Статистический контроль качества имеет большое значение для получения достоверной информации о ходе технологического процесса и управления качеством. Методы и возможности статистического контроля описаны в [88, 1831.
Для разработки методов и правил осуществления статистического контроля необходимо установить три следующих основных характеристики:
допустимую долю дефектных изделий qQ\ данная партия будет признана годной, если доля дефектной продукции q находится в пределах заданного уровня, т. е.
Л4 _
Я — N
где М — число дефектных изделий в партии объемом JV;
достаточный объем выборки в п штук (n < W) с тем, чтобы по ней иметь суждение об уровне качества всей партии;
экономическое обоснование целесообразности применения данного метода контроля, поскольку как повышенный объем контрольных операций, так и его недооТценка ведут к дополнительным затратам.
452
Суждение о годности изделия осуществляется по альтернативному или количественному признакам. При контроле по альтернативному признаку все изделия в выборке разбиваются на две категории — годные и негодные (дефектные). Оценка партии производится по величине доли дефектных изделий от общего числа проверенных. При контроле изделий по количественному признаку у каждого изделия определяется один или несколько параметров и оценка партии изделий производится по статистическим характеристикам распределения этих параметров, поскольку каждое значение параметра является случайной величиной. В работах, посвященных статистическим методам оценки качества продукции, рассматриваются такие вопросы, как оценка риска забраковать годную продукцию или принять дефектную, выбор различных планов, приемочного контроля изготовленной продукции, методы контроля по количественным признакам с различными законами распределения параметров и др. [881. Обычно статистические методы контроля качества применяются в массовом и крупносерийном производстве.
Оценка уровня качества продукции — необходимый, но не достаточный вид статистического контроля для обеспечения высокой надежности технологического процесса. Возможность получения дефектных изделий (пусть даже в заданном минимальном количестве) является следствием того, что статистическими методами анализируется результат данного технологического процесса — определенное качество продукции, а не характеристики самого процесса, которые определяют это качество.
3.	Статистические методы контроля параметров технологического процесса. Статистические методы контроля могут быть применены к оценке параметров технологического процесса и их изменений под действием различных факторов. Контролируются характеристики качества оборудования, технологической оснастки и инструмента, проверяются методы их наладки, оценивается рабочая среда, а также контролируются параметры изготовляемых изделий. Принципиальная разница по сравнению с контролем качества продукции здесь заключается в том, что анализируются процесс и тенденции развития или стабилизации технологического процесса, близость его параметров к граничным значениям и т. п. Поэтому возможность появления дефектного изделия не будет неожиданностью, а явится следствием определенного (как правило, постепенного) изменения характеристик технологического процесса. Обнаружение этих тенденций позволит принять меры по предотвращению брака, т. е. создать условия для бездефектного изготовления продукции. Для металлообрабатывающей промышленности применяются такие статистические методы контроля, как составление точечных диаграмм изменения точности обработки, по которым можно определить рассеивание параметров точности, смещение центра группирования во времени, вероятность выхода размера за пределы допуска или наличие запаса по точности. Эти
453
данные дают информацию для управления технологическим процессом по параметрам качества, для осуществления необходимых корректировок и подналадок, для оценки эффективности различных методов, направленных на совершенствование технологического процесса [50 ].
Для статистической оценки точности и стабильности технологических процессов стандартами предусмотрен ряд показателей и характеристик. Так, в качестве показателя точности технологических процессов применяются: величина отклонения А действительного значения параметра Хд от номинального (заданного) значения Хн, т. е. А = Хд — Хн; коэффициент точности Хтн относительно номинального значения или Хтд относительно поля допуска Ан, т. е. Хтн = -у- и Хтд = -^-. Оценивается также
рассеивание параметров технологического процесса как отно-
шение среднего квадратического отклонения параметра технологического процесса от к величине его поля допуска Ап: Ктт =
От Ап
или определяется коэффициент вариации /Св =
От
X ’
где X — среднее значение параметра технологического процесса (ГОСТ 16304—74). Оценку точности технологического процесса
производят по точности его элементов, с учетом их взаимосвязи, или по точности изготовляемой продукции. При этом контролю
подвергаются параметры, оказывающие решающее влияние на показатели качества продукции и определяющие нормальный ход технологического процесса.
4.	Контроль надежности изделий в процессе их изготовления. Этот контроль является весьма сложной задачей, поскольку, как правило, нельзя получить быструю информацию о показателях надежности выпускаемых изделий и их составных частей (узлов, элементов). Поэтому показатели начального качества изделия (а не их изменение в процессе эксплуатации) являются основным объектом контроля в процессе изготовления изделий. Однако управление технологическим процессом часто требует данных по надежности выпускаемых изделий не только из сферы эксплуатации, но непосредственно в ходе технологического процесса. Это достигается путем организации контрольных испытаний (см. выше и гл. 11) непосредственно на предприятии-изготовителе. При этом испытанию, как последней стадии технологического процесса, подвергаются не только изготовленная машина, но и ее наиболее ответственные узлы и механизмы.
Особенно для массового и крупносерийного производства характерны периодическое испытание и контроль надежности изделий по износу, коррозии, усталостной долговечности. Например, периодическим контрольным испытаниям на надежность с использованием статистических методов подвергаются подшипники качения, лопатки турбин (усталость), гидравлические насосы, диски фрикционных муфт (износ), различные покрытия (коррозия).
454
Отдельные контрольные испытания на надежность непосредственно в цехах завода-изготовителя могут осуществляться и для более сложных узлов и агрегатов-двигателей, коробок передач и редукторов, гидросистем и др. (см. гл. 11). Следует обратить внимание на необходимость тщательного анализа не только результативности, но и последствий контроля для особо ответственных деталей в случае, когда производится контроль надежности для каждого экземпляра и этот экземпляр поступает в эксплуатацию. Можно привести немало примеров, когда контрольно-испытательные воздействия на изделие ухудшают его характеристики качества. Например, резервуары и емкости (баки), в которых должна помещаться жидкость (например, горючее), испытываются при давлениях, больших, чем рабочее. При этом, чем выше требования к емкости, тем давление при испытании больше превосходит рабочее, чтобы была гарантия его надежной работы при эксплуатации. Однако в этом случае силовые воздействия при контрольном испытании могут настолько повлиять на прочностные характеристики, что сделают изделие менее надежным в работе — будут способствовать более быстрому его разрушению. Другой пример — контроль прецизионных деталей с высокими требованиями к качеству поверхности, например, гидравлического золотника 14-го класса шероховатости. При измерении ножка индикаторного прибора оставляет след даже на закаленной поверхности, что сказывается на эксплуатационных показателях изделия. Здесь допустим лишь бесконтактный метод контроля.
5.	Роль активного контроля в обеспечении надежности технологического процесса. Информация о качестве изделий, полученная в процессе их изготовления, необходима для управления технологическим процессом (см. гл. 9, п. 2) и для обеспечения его высокой надежности. Особенно широкие возможности управления качеством имеют место при автоматизации контроля и применении методов активного контроля [194].
Активный контроль, при котором по результатам контроля параметров качества дается команда на подналадку оборудования, изменение режимов его работы, отсортировку бракованного изделия или приостановку технологического процесса, дает гарантию обеспечения точности и надежности технологического процесса.
Средства активного контроля могут иметь различную степень развития от использования визуальных сигналов для подналадки оборудования до самонастраивающихся систем. В качестве примера на рис. 145 показаны варианты активного контроля и управления процессом шлифования — финишной обработки деталей машиностроения [225]. Устройства для измерения размера детали в процессе обработки (контактные или бесконтактные) с визуальным наблюдением за получаемым в процессе обработки размером (рис. 145, а) позволяют рабочему подналаживать станок и являются прототипом автоматических методов активного контроля. Схема автоматической подналадки станка приведена на рис. 145, б.
455
a)	6)
Рис. 145. Системы активного контроля: а визуальный; б<- в процессе обработки;
в -» самоподнастраивающееся устройство
Изменение размера детали 6 в процессе ее обработки фиксируется датчиком 4, установленным в трех контактной скобе 5. О размере детали можно судить по показаниям прибора 2 и по загоранию сигнальных лампочек 3. Кроме того, сигнал датчика через усилитель 1 подает команду исполнительному устройству 7 станка, которое, перемещая шлифовальную бабку, изменяет ее положение, регулируя режим обработки (черновое и чистовое шлифование, выхаживание) и получение окончательного размера обработанной детали.
Для повышения надежности самих измерительных средств, ошибка которых приведет к получению размера за пределами допуска, могут применяться устройства с автоматической поднастрой-кон системы активного контроля (рис. 145, в). Это устройство отличается от предыдущего наличием второго контрольного устройства А, которое производит повторное измерение обработанных деталей, проверяет работу основного измерительного устройства и при необходимости поднастраивает его. Системы активного контроля, особенно с самонастройкой, являются важным звеном при создании автоматизированного производства с управлением параметрами качества. Однако, оценивая возможности активного контроля, следует отметить, что он не может решить всех задач по управлению качеством технологического процесса. Отклонение измеряемого параметра качества может явиться следствием нескольких причин и поэтому в ряде случаев трудно судить, какую подналадку процесса следует произвести для восстановления требуемого уровня качества и возможно ли вообще это сделать. Например, отклонение от цилиндрической формы изделия при его шлифовании может иметь место из-за тепловых деформаций станка, износа направляющих стола, из-за деформации детали и узлов станка или при суммарном воздействии всех этих факторов. Поэтому для автоматического восстановления утраченных показателей технологического процесса необходимо осуществить подналадку отдельных параметров технологического оборудования. Это связано с контролем и подналадкой целевых механизмов оборудования, определяющих показатели качества выпускаемой про-456
дукции. Технологическая надежность оборудования является одной из основных его характеристик с позиций качества. Применение методов активного контроля с системами самонастройки в сочетании с саморегулируемым оборудованием, сохраняющим свои начальные свойства и обладающим высокой технологической надежностью, — основной путь обеспечения высокой надежности по параметрам качества всего технологического процесса.
4. Технологическая надежность оборудования
1.	Технологическая надежность — основная характеристика оборудования. Технологическое оборудование — металлорежущие станки, пресса, литейные и сварочные машины, агрегаты для термообработки, прокатные станы и др. — является основной, наиболее дорогой частью технологической системы, от работоспособности которой зависит эффективность всего процесса. Надежность оборудования можно рассматривать с двух основных позиций — как надежность машины, когда оцениваются все виды отказов, и как надежность технологической системы, когда принимаются во внимание лишь те отказы, которые связаны с выпуском некачественной продукции.
Для оборудования особое значение имеет рассмотрение его технологической надежности, которая непосредственно связана с качеством выпускаемой продукции.
Технологическая надежность оборудования — это его свойство сохранять в заданных пределах и во времени значения показателей, определяющих качество осуществления технологического процесса. К показателям качества технологического оборудования относятся его геометрическая точность, жесткость, виброустойчивость и другие, которые определяют точность обработки, качество поверхности и физические характеристики материала обрабатываемой детали. Хотя показатели качества изготовляемых изделий зависят не только от оборудования, но и от технологической оснастки, инструмента, режимов обработки, квалификации рабочего и других причин, возможности оборудования играют, как правило, основную роль. Поэтому не только обеспечение высоких начальных характеристик технологического оборудования, но и длительное их сохранение в процессе работы — необходимое условие надежного осуществления технологического процесса.
Как показывают практика и исследования, технологическое оборудование в процессе эксплуатации постепенно теряет свои начальные характеристики, что приводит к снижению качественных показателей технологического процесса. При этом восстановление работоспособности, как правило, связано с большими затратами времени и средств. Если, например, замена износившегося инструмента занимает доли минуты, то износ направляющих выводит станок из строя на несколько дней. Постепенное ухудшение начальных характеристик оборудования приводит к умень-
457
100	1000	2000	3000 woo
Рис. 146. Потеря точности револьверным автоматом 1Б118 в процессе эксплуатации
шению запасов точности, к росту вероятности получения некачественной продукции, к сокращению технологических возможностей оборудования.
В качестве примера на рис. 146 приведены результаты исследования потери точности револьверными прутковыми автоматами модели 1Б118 в процессе их эксплуатации [1931. Рассеивание раз-меров при обработке деталей диаметром d = 16 мм связано с точностью вращения и жесткостью шпинделя, точностью настройки станка, температурными деформациями и другими причинами. Межналадочный период, после которого производится регулировка или замена режущего инструмента, составляет То = 90 мин. В результате износа основных звеньев станка (см. рис. 63 и 65) все' составляющие погрешностей растут и происходит постепенная потеря точности обработки. На рис. 146 показано рассеивание размеров обработанных деталей в конце межналадочных периодов после соответствующей наработки. Верхняя граница соответствует вероятности безотказной работы по данному параметру Р (/) = == 0,999 (шестисигмовая зона рассеивания параметра) и определяет область состояний станка. Погрешности, которые определяют запас по точности 6Т, складываются из начальных alt погрешностей формы детали аф, влияния тепловых деформаций (ас и Лс) согласно методам, рассмотренным выше (см. гл. 3, п. 4). Износ станка увеличивает значения всех составляющих. Из схемы видно, что в зависимости от допуска на деталь станок может удовлетворять требованиям к технологическому процессу в течение Тр = = 1300 ч (при 6 = 55 мкм) или Тр == 3200 ч (при 6 = 70 мкм). Требования к технологической надежности оборудования, а также возможности по ее повышению связаны со степенью развития машин-орудий, их совершенством, степенью автоматизации и теми функциями технологического процесса, которые они выполняют.
2.	Четыре стадии развития технологического оборудования. Рассмотрим основные этапы осуществления некоторого техноло-458
гического процесса. Изготовление любой детали складывается из четырех основных этапов: 1) установление программы (задания), включающей технические условия на объект обработки; 2) управление процессом — изменение и включение скоростей, согласование различных движений; 3) осуществление процесса обработки— сообщение необходимых усилий и скоростей заготовке и инструменту с требуемой точностью взаимного перемещения и 4) контроль процесса — оценка соответствия технологического процесса заданию и внесение необходимых поправок в ход процесса.
Технологический процесс и взаимодействие его этапов могут быть представлены следующей блок-схемой с обратной связью:
Рассмотрим, как данная блок-схема реализуется на практике в зависимости от степени совершенства технологического оборудования.
Осуществление любого технологического процесса, даже если он выполняется вручную, также соответствует приведенной блок-схеме, но все функции выполняет человек. В этом случае управляет процессом мозг человека, осуществляют процесс его руки и контролируют глаза. Эти функции человека не изменяются и в случае применения рабочего инструмента или орудий труда.
Первая стадия развития технологического оборудования заключалась в использовании таких механизмов, которые облегчают труд рабочего, но не вносят принципиальных изменений в ход технологического процесса. Такие орудия дошли и до наших дней. Хотя электродрель для сверления, станки для ручной заточки инструмента, молот для свободной ковки, агрегат для ручной сварки и другие аналогичные машины имеют современный привод и совершенный инструмент, при их использовании ход технологического процесса всецело зависит от квалификации рабочего.
Вторая стадия развития технологического оборудования характеризуется превращением орудия труда в машину, которая стала выполнять технологический процесс без участия человека при помощи специальных механизмов и устройств, которые осуществляют необходимые воздействия инструмента или среды на заготовку.
Так, в металлорежущих станках имеется строгая кинематическая связь между заготовкой и инструментом. При штамповке 459
в закрытых штампах точность обработки зависит от качественных показателей оборудования и инструмента.
На этой ступени развития оборудования функции управления процессом и контроля за его ходом по-прежнему выполняет рабочий. Он включает машину, изменяет скорости ее рабочих органов (шпинделя, ползуна), включает вспомогательные перемещения узлов. Рабочий также контролирует ход технологического процесса и при необходимости вмешивается в него, подналаживает инструмент или механизмы, регулирует или заменяет инструмент и т. п. При значительном износе отдельных механизмов машину отправляют в ремонт.
Третья стадия развития оборудования — создание автоматов, функции управления которыми осуществляются уже не рабочим, а механизмами самого станка (токарные и многие другие станки-автоматы, прокатные станы, горизонтально-ковочные, сварочные и другие автоматы). Механизмы этих машин-автоматов осуществляют весь цикл обработки изделия без участия человека, производя переключения и изменения скоростей, включение вспомогательных перемещений, соблюдая строгую последовательность цикла.
Однако контроль технологического процесса по-прежнему осуществляет человек. Наладчик наблюдает за работой автомата. Хотя он непосредственно и не участвует в выполнении технологического процесса, он должен периодически подналаживать механизмы, заменять износившийся инструмент, регулировать его положение, исправлять небольшие неполадки в машине, контролировать качество выпускаемой продукции. Таким образом в общей блок-схеме осуществления технологического процесса еще осталось звено, которое выполняет человек, а именно: обратная связь, необходимая для успешного выполнения заданной программы.
Четвертая стадия развития технологического оборудования заключается в полной реализации механизмами машины блок-схемы технологического процесса.
Применение специальных датчиков (преобразователей), которые следят за параметрами технологического процесса, за механизмами, инструментом, заготовкой и окружаю/цей средой и вносят свои коррективы в управление машиной, позволяет создать новый тип оборудования — саморегулируемые автоматы. Такая машина в отличие от обычного автомата выполняет все функции по управлению ходом технологического процесса, полностью освобождая от участия в нем человека.
Еще мало моделей, в которых полностью воплощена идея само-регулируемого оборудования. Создать такую машину — задача сложная, так как приходится учитывать большое число параметров и факторов, одновременно действующих на оборудование и влияющих на ход технологического процесса. Однако, уже имеется ряд йашин,- в которых используется принцип саморегулирования отдельных параметров. Например, в электросварочных автоматах 460
осуществляется контроль процесса сварки и регулируются электрические параметры машины: в прокатных станах с активным контролем продукции автоматически осуществляется подналадка валков; в металлургических агрегатах регулируется процесс плавки; в металлорежущих станках с активным контролем осуществляется подналадка отдельных механизмов. Есть станки с регулированием усилий обработки и точности перемещения, станки с автоматической компенсацией износа режущего инструмента и другие.
3.	Принцип саморегулирования. Как видно из сказанного, тенденции развития оборудования приводят к созданию саморегу-лируемых технологических систем, которые независимо от воздействий на них вредных процессов и без вмешательства человека способны поддерживать требуемые показатели качества выпускаемой продукции. Это является основным условием выпуска высококачественной продукции при современных масштабах производства.
На построение системы саморегулирования существенное влияние оказывают скорости действующих на машину процессов. Именно они определяют метод контроля изменяющихся параметров, периодичность или непрерывность работы механизмов подналадки. Для быстропротекающих процессов, процессов средней скорости и медленных структура системы саморегулирования будет различна. В последние годы появился ряд систем автоматической подналадки или стабилизации работы машин с функциями приспособляемости и защиты от влияния различных воздействий на устойчивую работу оборудования.
При воздействии быстропротекающих процессов в системах саморегулирования должен быть обеспечен непрерывный контроль изменяющихся параметров и возможность непрерывного регулирования (подналадки) механизмов машин.
В качестве примеров таких систем у станков-автоматов можно указать в первую очередь на обратную связь в станках с программным управлением, которая компенсирует влияние зазоров, деформаций, различных случайных воздействий на правильность соблюдения заданного закона движения рабочего органа станка.
К этой же группе систем относятся: станки с адаптивным управлением, у которых производится автоматическое регулирование подачи столов и суппортов, например, из условия сохранения постоянным усилия резания или величины упругой деформации системы (метод проф. Б. С. Балакшина [174]); автоматическая виброзащита машин путем измерения вибраций и создания антивибраций, обратных по фазе; система автоматического уравновешивания узла шпинделя и детали для ликвидации вредного влияния дисбаланса заготовки; функциональная разгрузка направляющих, учитывающая переменность сил трения [137]; автоматическая непрерывная коррекция кинематических цепей зуборезных и других станков, исключающая влияние погрешностей изготовления эле-,
461
Рис. 147. Схема автоматической подналадки положения рабочих органов станка за счет создания направленного теплового поля
ментов передачи, их деформации, температуры и другие воздействия.
Во всех перечисленных примерах более высокая надежность работы технологического оборудования и поддержание его начальных параметров на заданном уровне достигаются за счет непрерывной автоматической подналадки, т. е. саморегулирования (самоприспособления), когда машина реагирует на изменение внешних воздействий.
3 ?
При воздействии на оборудование процессов средней скорости (изменение температуры как самой машины, так и окружающей среды, износ режущего инструмента) для систем автоматической подналадки характерно наличие непрерывного контроля изменяющихся параметров и периодическое регулирование механизмов. Например, широко известны методы активного контроля деталей и методы компенсации износа шлифовальных кругов в станках (см. рис. 145).
За последние годы появился ряд оригинальных решений для автоматической подналадки станков с учетом процессов средней скорости и в первую очередь тепловых воздействий.
К таким методам относятся температурная компенсация положения шпиндельной бабки, поддержание постоянной температуры масла в гидросистеме, равномерный подогрев стенок станины
станка и другие методы.
Более совершенны системы регулирования с обратной связью. В качестве примера может служить система, предложенная автором, когда в станке создается направленное тепловое поле [156].
Схема действия такой системы, обеспечивающей перпендикулярность оси шпинделя к столу станка, показана на рис. 147. К корпусу 1 крепятся нагревательные и охлаждающие элементы 2. Управляющим устройством 9 могут быть включены элементы нагрева верхней стенки и одновременно охлаждения нижней или наоборот. Контроль перпендикулярности оси шпинделя 3 к плоскости стола 4 периодически осуществляется закрепленным на шпинделе датчиком 6, который подает сигнал, пропорциональный величине отклонения от перпендикуляра. Возможно также получение сигнала от устройства 5, контролирующего точность обработанной де-
462
тали. Усиленный усилитель 7 и преобразованный сигнал датчика включает в зависимости от знака сигнала ту или иную пару элементов 2. Длительность включения контролируется реле времени 8 и пропорциональна величине сигнала датчика. Таким образом осуществляется постоянное восстановление точности взаимного положения рабочих органов и узлов машины, что в конечном результате обеспечивает высокую точность изготовления деталей. Для такого станка нет необходимости поддержания постоянной температуры в помещении, он не потеряв жесткости и виброустойчивости, приобретает необходимую подвижность для регулирования и может сохранять правильное взаимное расположение рабочих органов при любых внешних и внутренних тепловых воздействиях.
В настоящее время еще мало систем автоматической подналадки оборудования для ликвидации последствий медленно протекающих процессов, хотя они имеют существенное, а часто и решающее значение в потере машиной работоспособности.
Характерным для систем автоматической подналадки этой группы являются периодические контроль параметров и подналадка механизмов. Эти системы должны автоматически включаться через определенный достаточно длительный промежуток времени и производить проверку параметров машины в течение небольшого периода времени. Если эти параметры изменились, то осуществляется регулирование соответствующих рабочих органов машины.
Специфика механизмов подналадки данной группы заключается в том, что скорость подналадки может быть мала (постепенное исправление параметра), поскольку сам процесс приводит к очень медленному изменению показателей машины.
Примером системы данной группы может служить автоматическая компенсация износа направляющих станков (см. рис. 138), Для повышения технологической надежности оборудования необходимо шире применять системы, восстанавливающие работоспособность машины, утрачиваемую вследствие медленных процессов, протекающих при ее работе, и в первую очередь из-за износа. Для этой цели могут быть использованы разнообразные методы и идеи, в том числе применяемые в самонастраивающихся системах автоматического контроля линейных размеров (см. рис. 145, в). В них производится периодическая проверка работы исполнительных органов по эталону и, если настройка сбивается (из-за деформации, износа контактов и других причин), то производится автоматическая подналадка их положения.
Таким образом, для повышения технологической надежности сложного высокопроизводительного оборудования намечается новая тенденция, которая заключается в применении автоматики для обеспечения длительного выполнения машиной своего служебного назначения в разнообразных условиях эксплуатации, в придании машинам новых качеств — автоматического восстановления утра-
463
Рис. 148. Блок-схема станка-автомата с саморегулированием его параметров
ченных функций и приспособления (адаптации) к изменениям окружающей среды. Развитие этик идей означает переход от пассивных методов решения проблемы технологической надежности оборудования к активным.
Следует отметить, что тенденции повышения надежности средствами автоматики характерны не только для технологического оборудования, но и для других сложных автоматизированных машин и систем.
4.	Блок-схема станка-автомата с саморегулированием его параметров. Для создания оборудования, длительное время сохраняющего свои технологические возможности, целесообразно воплощение принципа саморегулирования для основных целевых механизмов машины, определяющих ее качественные показатели. В качестве примера на рис. 148 приведены блок-схема станка-автомата с саморегулированием его параметров. Программа вводится в механизм управления, который управляет всеми движениями механизмов станка. Однако в условиях разнообразных воздействий на машину необходимо корректировать саму программу управления.
Для этой цели предусмотрены датчики, которые контролируют все основные факторы, влияющие на нормальный ход технологического процесса. Контролируются параметры станка и технологического процесса — силы резания, кинематические параметры, износ инструмента, вибрации, износ направляющих и др., измеряются параметры обработанной детали (в первую очередь ее геометрия и качество поверхности^ средствами активного контроля, оцениваются”параметры заготовки. -Кроме того, ‘осуществляется 464
контроль внешних воздействий на станок, например вибраций передающихся от других агрегатов, изменений температуры и т. п.
Вся информация направляется в механизм управления, имеющий специализированное вычислительное устройство, которое рассчитывает необходимую величину компенсации, вводит соответствующие поправки в программу работы станка и дает команды на включение механизмов подналадки, исправляющих изменившиеся параметры исполнительных механизмов. В сложных станках-автоматах возможно также введение блока, который запоминает и анализирует информацию, попадающую в механизм управления от датчиков, и вырабатывает наиболее рациональную коррекцию программы управления станком.
Высокая технологическая надежность оборудования способствует не только сокращению простоев для подналадки, но и гарантирует выпуск качественной продукции, надежность осуществления всего технологического процесса.
5.	Система автоматизированного управления технологической надежностью станков. На основе рассмотренной блок-схемы могут разрабатываться различные системы управления технологической надежностью оборудования, например с применением специализированного вычислительного устройства (мини-ЭВМ). В таком устройстве сигналы датчиков, характеризующие состояние технологической системы, обрабатываются по специальной программе и с учетом функциональных зависимостей, связывающих относительное положение инструмента и обрабатываемой детали, рассчитывается суммарная погрешность обработки, направление и величина подналадочного импульса.
Система автоматизированного управления технологической надежностью применительно к бесцентрово-шлифовальному станку разработана под руководством автора кандидатами техн, наук Г. В. Семеновым и Е. М. Харитоновым (рис. 149).
Точность бесцентрового шлифования (погрешность диаметра и конусообразность) зависит от относительных положений опорного ножа, ведущего и шлифовального кругов. В процессе эксплуатации их положение меняется из-за температурных и упругих деформаций и износа. Кроме того, засаливание кругов вызывает увеличение вибраций и дестабилизирует положение детали в зоне обработки. Информация о состоянии рабочих органов, регистрируемая соответствующими датчиками, через аналого-цифровой преобразователь передается в вычислительное устройство. Например, для измерения линейных размеров используется дифференциальный индуктивный датчик, который обеспечивает измерение с точностью до 1 мкм. Вычислительное устройство производит анализ поступившей информации, рассчитывает параметры точности обработки, сравнивает их с заданным полем допуска, оценивает возможность проведения подналадки, выбирает необходимый механизм подналадки и рассчитывает для него величину подналадочного импульса и его направление.
465
6 2
Программа управления
п-и Объект
Блок аварийной остановки
Временной коммутатор г-2ПШЕЕГ
I Аналого-цифровой • ппр п finerinRnmPUh.
Исполнительные | механизмы	I
, "~П 1~	|
п~и 1^Васпределительное1 J 0&»e*7ni_ устройство
преобразователь
Вы ч и ели тельное устройство
— Г "
Цифро-аналоговый преобразователь
Рис. 149. Система управления технологической надежностью бесцентровошлифовального автомата. Датчики для регистрации: износа шлифовального 1 и ведущего 2 кругов, смещения 3 и 8 и вибраций 4 и 7 узлов, износа опорного ножа 5; 6 — обрабатываемая деталь; 9 — механизм подналадки положения опорного ножа
Преимущество данного метода состоит еще и в том, что исключается непосредственное измерение диаметра каждой обрабатываемой детали, а следовательно, исключаются погрешности, связанные с измерением. Система анализирует также уровень вибраций детали. С увеличением вибраций детали из-за засаливания кругов подается команда на проведение правки.
Для предупреждения возможности получения дефектных деталей из-за сбоя в работе вычислительного устройства или возникновения непредусмотренных системой управления ситуаций обрабатываемые детали пропускаются через датчик предельных размеров, который фиксирует только выход размеров детали за пределы поля допуска. Сигналы о наличии бракованных деталей поступают в блок аварийной остановки станка. Вычислительное устройство управляет через цифро-аналоговый преобразователь исполнительными механизмами, которые осуществляют два вида подналадочных перемещений: грубое — шлифовальной бабкой и точное — управляемым опорным ножом.
Информация о состоянии узлов станка вводится в вычислительное устройство дискретно через временной коммутатор, по-466
следовательно подключающий датчики одного или нескольких станков через заданный интервал времени. Этот интервал может изменяться вычислительным устройством в зависимости от интенсивности процессов и требуемой частоты подналадок.
Блок-схема алгоритма управления точностью обработки, реализуемого с помощью вычислительного устройства, начинается с ввода исходных данных, представляющих собой константы и вспомогательные параметры, не изменяющиеся во времени. Исходная информация дополняется текущей информацией от датчиков, регистрирующих состояние рабочих органов станка в тот или иной момент времени. На основании поступившей информации вычисляются: зона рассеивания от быстропротекающих процессов, зона рассеивания погрешностей настройки, а также другие параметры, характеризующие точность станка. Далее определяются текущие верхняя и нижняя границы возможного смещения уровня настройки и фактическое на данный момент времени ее значение.
В связи с сужением возможного диапазона смещения настройки из-за увеличения составляющих погрешности обработки от быстро протекающих процессов и погрешности формы может наступить момент, когда проведение подналадок станет невозможным. Поэтому программой предусмотрена проверка возможности проведения подналадки. Если такая возможность имеется, то определяется направление подналадочного импульса и выдается команда на исполнение требуемой подналадки.
Исследования, проведенные на станке мод. ЗМ182, показали возможность и эффективность автоматического управления точностью обработки с использованием расчетов точности и элементов логического анализа воздействующих факторов.
5. Остаточные и побочные явления технологических процессов
1.	Возникновение дефектов в изделиях в ходе технологического процесса. Как было сказано выше значительные силовые, тепловые, химические и иные воздействия на заготовку или материалы, которые сопровождают любой технологический процесс, создают объективные условия для возникновения в изделиях нежелательных явлений, таких как образование пор и раковин, изменение начальных свойств материалов, наследование исходных погрешностей изготовления. Согласно ГОСТ 17102—71 дефектом называется каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией. Поэтому к дефектам относятся как отклонения свойств и состояния материалов (трещины, раковины, включения, структурные изменения, дислокации), так и нарушения заданной точности формы и размеров. Однако дефекты^формы и размеров обработанных изделий рассматривают обычно отдельно, как погрешность, обработки, а к дефектам относят нарушения установленных требований к материалу и поверхностным слоям.
467
Следует подчеркнуть, что возникновение дефектов является следствием технологического процесса изготовления изделия, в то время как повреждение — это результат его эксплуатации.
Образование дефектов в изделии зависит от характера технологического процесса, его режимов, методов контроля параметров, степени автоматизации и других характеристик. Для каждого технологического процесса имеются, как правило, типичные виды дефектов, связанные с теми или иными нарушениями хода процесса или неблагоприятным сочетанием факторов.
Например, при отливке деталей из-за неравномерного остывания, окисления, попадания в металл различных включений и газа, могут появиться дефекты в виде трещин, раковин, пор, ликвации (неоднородности химического состава) и неоднородности структуры. Кроме того, возникают внутренние напряжения, которые приводят к короблению детали и медленному изменению ее конфигурации в процессе эксплуатации.
Аналогичные дефекты могут возникнуть и при сварке, причем для этого случая специфичен локальный характер дефектов, захватывающих зоны сварки. Дополнительные дефекты возникают при взаимодействии металла изделия и наплавленного металла. Так, по рекомендациям Международного института сварки все дефекты для соединений, полученных методом сварки плавлением, подразделяются на шесть групп.
Трещины, которые возникают при затвердевании металла, а также холодное растрескивание, слоистые разрывы при низкой пластичности материала и растрескивание, возникающее при повторном нагреве сварного соединения для снятия внутренних напряжений.
Раковины (поры, газовые включения), которые возникают в результате усадки металла, а также поры, которые образуются в результате химической реакции или физических изменений, происходящих в процессе сварки.
Твердые включения, которые могут быть неметаллическими (элементы шлака и флюса) и металлическими (окислы материала электрода и присадки).
Недостаточное оплавление и недостаточно прочное соединение свариваемых частей, возникающее, например, из-за наплава холодного и нежидкотекучего сварного металла.
Недостатки формы — поднутрения, угол наклона поверхности сварочного шва, прожоги тонких листов материала и др.
Разные дефекты — такие как зазубрины, задиры, неровности на поверхности и др.
При термической и химико-термической обработке металлов и сплавов происходят сложные физико-химические процессы и появляется возможность возникновения как явных дефектов (закалочные трещины, окисление), так и отклонений от требуемых параметров (структуры, твердости). Кроме того, в кристаллической решетке при кристаллизации и структурных изменениях возни-468
кают специфические дефекты (дислокация, вакансии), которые снижают прочностные характеристики металла и в сильной степени зависят от режима термообработки.
Особое влияние на работоспособность изделий оказывает механическая обработка, которая придает окончательные форму и свойства рабочим поверхностям деталей. Обработка металлов резанием сопровождается сложными физическими процессами, вызывающими пластические деформации, наклеп и нагрев поверхностного слоя. В результате получается поверхностный слой со своеобразными физическими свойствами, которые являются следствием данного метода обработки и его режимов (см. гл. 2, п. 2).
При одном и том же технологическом процессе на возникновение дефектов решающее влияние оказывают режимы и условия обработки, а также возможности по управлению ходом процесса.
2.	Влияние параметров технологического процесса на возникновение дефектов. Характер технологического процесса и его параметры оказывают, как правило, существенное влияние на состояние материала изделия, при котором возможно возникновение дефектов. В каждом технологическом процессе в зависимости от его физической природы заложены предпосылки для возникновения или локализации тех или иных отклонений от идеального или регламентируемого состояния материала.
Часто различные варианты технологического процесса, приводящие к одинаковым, с точки зрения требований качества, результатам, при более глубоком изучении обнаруживают разные склонности к образованию дефектов. В качестве примера на рис. 150 приведены электронные микрофотографии поверхностей из стали 12Х18Н9Т с хромонитридным упрочнением, обработанных шлифованием, полированием и алмазным выглаживанием (по данным канд. техн, наук А. С. Чабана). С точки зрения предъявляемых требований все три метода обработки им удовлетворяют, обеспечивая 10-й класс шероховатости. Однако электронно-микроскопический анализ показал существенную разницу в состоянии поверхностей. Шлифованная поверхность имеет большое число рисок глубиной порядка 1 мкм. На полированной поверхности рисок значительно меньше и их глубина не превышает 0,05 мкм. Выглаженная поверхность обладает однородным микрорельефом с относительно гладкими плато, занимающими 5—10% площади. При этом рисок обнаружено не было.
В пределах одного метода на возможность возникновения дефектов основное влияние оказывают обычно режимы обработки (см. рис. 17). Например, при шлифовании имеется опасность при-жогов — местных изменений структуры поверхностного слоя металла, как следствие высоких мгновенных температур, возникающих в зоне резания. В зоне прижога происходят структурные изменения, например, в виде отпуска металла или закалки с отпуском, изменение микротвердости и возникновение остаточных напряжений. Для каждого материала имеется температура прижого-469’
Рис. 150. Электронные микрофотографии поверхностей из стали 12Х18Н9Т 10-го класса шероховатости:
а — обработанных шлифованием; б — полированием; в — алмазным выглаживанием (X 10 000)
образования 0П и, если температура шлифования 0Ш не превышает этого значения 0Ш < 0П, то прижогов не образуется. Кроме того, следует учитывать, что на поверхности остаются лишь те прижоги, глубина которых больше припуска на шлифование [102]. Температура, влияющая на образование прижогов, в свою очередь, зависит от режимов (например, от величины подачи) и условий (охлаждение, твердость круга) шлифования. Таким образом, всегда возможно создание таких условий осуществления технологического процесса, при которых объем и характер отклонений от идеального хода процесса будет находиться в допустимых пределах, т. е. без возникновения дефектов.
Часто считают, что возникновение дефектов в процессе обработки является следствием нарушения технологической дисциплины, наличия оборудования с низкими техническими характеристиками, нарушения ритмичности работы предприятия, плохой организации труда и т. д. Такой взгляд односторонне и примитивно рассматривает причины возникновения дефектов, фиксируя лишь грубые нарушения в ходе технологического процесса.
В действительности, физико-химические воздействия, которые сопровождают любой технологический процесс, порождают в материале изделия отклонения от идеального строения и желаемых свойств. Выход этих отклонений (которые всегда существуют) за 470
установленные пределы и приводит к возникновению дефектов. Поэтому технологический процесс бездефектный при одних требованиях к изделию и будет дефектным при повышенных нормативах на выходные параметры. Изучение взаимосвязей между параметрами технологического процесса и процессами зарождения и возникновения дефектов — один из важных разделов технологии.
3.	Технологическая наследственность. Хотя основную роль в формировании показателей качества выпускаемых изделий играют последние (финишные) операции техпроцесса, однако часть свойств передается и с промежуточных операций, что вынуждает рассматривать все этапы, участвующие в получении заданных свойств изделия и выявлять те операции, которые оказывают влияние на выходные параметры готового изделия. Явление переноса свойств объекта от предшествующих операций к последующим называется технологическим наследованием, а сохранение этих свойств—технологической наследственностью [49].
Носителями наследственной информации являются материал детали и ее геометрические формы. При протекании технологического процесса носители наследственной информации как бы проходят через различные барьеры, задерживаясь на них частично или полностью [226]. Так для многих прочностных характеристик существенным «барьером» являются термические операции, а такие характеристики качества, как отклонения фактической формы заготовок от идеальных, как правило, в той или иной форме передаются от одной операции к другой. В ряде случаев «наследуются» отдельные конструктивные элементы изделия, которые оказывают влияние на результаты технологического процесса, например, из-за переменной жесткости изделия. В этих случаях происходит как бы копирование формы заготовки и перенос этих отклонений в уменьшенном размере на готовое изделие.
Полученные на отдельных операциях дефекты, например, микротрещины, также могут развиваться или «залечиваться» на последующих операциях. Влияние черновых операций на показатели качества готового изделия проанализировано в работе [226], в которой показано, что после обточки и закалки заготовки при последующем шлифовании круг создает на участках микровыступов шероховатой поверхности тепловые удары, вызывающие мгновенный нагрев и структурные изменения поверхностного слоя металла. При чистовых режимах шлифования на участках обработанной поверхности, расположенных под выступами неровностей, возникают зоны отпущенного металла пониженной твердости,^ а при черновых — зоны твердого металла, претерпевшего вторичную закалку. В обоих случаях на границах разных структур развиваются значительные остаточные напряжения, снижающие долговечность деталей, а иногда вызывающие появление шлифовочных трещин. При шлифовании с охлаждением влияние тепловых ударов ослабевает.
471
1
Рис. 151. Примеры технологической наследственности при обработке прецизионных деталей
Технологическая наследственность может играть как положительную, так и отрицательную роль в зависимости от того, какие свойства сохраняются и передаются готовому изделию. Поэтому надо изучать технологическую наследственность, чтобы управлять ею. Приведем примеры технологической наследственности (рис. 151) применительно к обработке прецизионных деталей [49].
При механической обработке деталей, имеющих переменную жесткость (плит, втулок с ребрами и т. п.), проявляется наследственность конструктивных элементов. Форма обработанной поверхности отражает различную деформацию детали под действием сил резания в разных зонах обработки. Это видно из сравнения кривых податливости / и формы поверхности 2, полученных опытным путем для изделия, имеющего ребра жесткости (см. рис. 151, а).
Аналогично, при механической обработке гильзы, имеющей несимметричное сечение (на ее поверхности нарезается зубчатая рейка) круглограмма показывает искажение наружной поверхности из-за переменной жесткости изделия (рис. 151, б). Это искажение формы (но в уменьшенном масштабе) сохранится вплоть до финишных операций. Весьма характерным для многих операций является технологическое наследование погрешностей установочных баз, которые часто переносятся на обрабатываемую поверхность детали. На рис. 151, в приведены графики отклонения формы высокоточной гильзы, установленной для шлифования в специальные зажимные устройства с гофрированными втулками. Графики показывают деформацию гильзы в зоне втулок, величина которой зависит от усилий зажима. В ряде случаев определенный интерес представляет рассмотрение наследственной природы возникновения волнистости на обработанной поверхности. Здесь имеют место как процессы возбуждения колебаний при резании «по следу» — 472
по уже имевшей место волнистости, так и процессы копирования формы инструмента. Так, например, волнистость шлифовального круга может переноситься на обработанную поверхность, отражая погрешности круга (рис. 151, г).
Поскольку технологическая наследственность в большинстве случаев оказывает отрицательное влияние на показатели качества и является побочным процессом при обработке изделия, стремятся исключить передачу погрешностей обработки с операции на операцию, сделать их как бы независимыми в технологическом отношении. Как указывает проф. А. М. Дальский, наиболее благоприятным будет такой технологический процесс, где на начальных (черновых) операциях происходит практически полная ликвидация отрицательного свойства и оно не наследуется финишными операциями.
4.	Последствия технологических дефектов в сфере эксплуатации. В готовом изделии могут оказаться технологические дефекты, которые относятся к недопустимым, но либо пропущены из-за несовершенства методов контроля, либо вообще не регламентированы. Это может привести к тяжелым последствиям в сф^ре эксплуатации машины вплоть до возникновения аварийных ситуаций. Анализ недопустимых выходов из строя отдельных узлов и механизмов, их поломок, значительных деформаций и других отказов функционирования показывает, что причины этого связаны в основном с двумя факторами — с неправильными методами эксплуатации и с проявлением технологических дефектов.
Грубые ошибки технологического процесса и соответственно значительные дефекты, как правило, проявляются при обкатке или контрольных испытаниях машины и могут быть устранены в сфере производства. Поэтому испытание машин е точки зрения их соответствия технологическим условиям и проверка всех основных параметров машины является заключительным этапом ее изготовления.
Однако часть технологических дефектов, не обнаруженных в процессе контроля отдельных этапов технологического процесса, может и не проявиться в первые часы работы изделия, но стать причиной его преждевременного отказа в сфере эксплуатации. Характерно, что по внешнему проявлению такой отказ часто относят к внезапным. Однако, по своей природе это постепенный отказ, так как его причина заложена в качестве самого изделия, а не является внешней, не зависящей от состояния изделия, что характерно для внезапных отказов (см. гл. 1, п. 4 и рис. 6).
Для предотвращения тяжелых последствий отказов, связанных с технологическими дефектами, следует, во-первых, регламентировать категории дефектов и не допускать возникновения дефектов определенных видов и размеров, и, во-вторых, иметь средства для обнаружения дефектов (см. ниже). Для большинства технологических процессов имеются технические условия, регламентирующие появление дефектов определенных категорий.
473
Рис. 152. Схема установления нормативного размера дефекта
Обычно даются предельно допустимые размеры дефектов, появление которых приводит к нарушению нормальной работы изделия.
Более прогрессивен вероятностный подход к расчету норм для технологических дефектов. Этот подход учитывает, что, с одной стороны, каждый технологический процесс может характеризоваться вероятностью появления дефектов данного размера (или другой заданной количественной характеристики), с другой стороны, нали-ха дефектов связано определен-параметром изделия, например
чие данного количества или вг ной зависимостью с выходным
с прочностью, причем эта зависимость также может иметь стохастическую природу.
Так д-р техн, наук В. Н. Волченко [30] применительно к сварным соединениям рекомендует в основу нормирования дефектов положить две исходные зависимости.
1. Вероятность Р (q) появления из общего числа дефектов, характеризуемых размером (площадью) q, дефектов, превосходящих заданное значение (рис. 152, а). Эта зависимость часто подчиняется закону экспоненты.
2. Зависимость между размерами дефектов q и прочностью изделия ов (рис. 152, б). Линия регрессии подчиняется определенной зависимости ов = а — bq, где а и b — коэффициенты, полученные из испытания образцов. Эта зависимость показывает, что чем большую площадь занимают дефекты, тем ниже прочность соединения.
В результате того, что на прочность влияют не только размеры дефектов, но и их конфигурация, расположение по сечению и т. д. возникает рассеивание значений прочности относительно центра группирования. Это рассеивание обычно подчиняется нормальному закону распределения. Если задано допустимое значение прочности [<ув ], то это позволит нормировать дефекты. Пересечение линии регрессии и нормативного уровня прочности соответствует так называемому пороговому (критическому) размеру дефектов qK. Появление дефекта q = qK [вероятность его появления равна Р (<7к)1 означает, что с вероятностью 0,5 он приведет к значению прочности ниже допустимой. Если же регламентировать дефекты по нижней границе прочности, т. е. принять за допустимый размер
474
дефекта рдоп, то вероятность снижения прочности изделия у будет находиться в установленных пределах. Вероятность появления дефектов размером q > qAoa выше, чем для q > qKi однако их обнаружить труднее, так как сюда относятся более мелкие дефекты (^доп < Qk)*
Развитие совершенных и экономичных методов обнаружения дефектов дает гарантию изготовления высоконадежных изделий без опасности преждевременных отказов, связанных с технологией.
5. Дефектоскопия. Для обнаружения дефектов применяется широкий диапазон методов и средств. Все виды контроля, применяемые для выявления и оценки технологических дефектов, следует разбить на две основные группы — разрушающие и неразрушающие методы.
Разрушающие методы контроля — такие, как испытание механических свойств, твердости, металлографический анализ, технологические пробы (например, испытание на осадку) и другие являются выборочными. Они приводят к порче одной или нескольких деталей в партии и не позволяют отделить в партии годные детали от бракованных.
Эти методы дают хороший эффект при большой однородности свойств и при возможности периодического отбора экземпляров изделий или образцов из них для испытания.
Неразрушающие методы контроля позволяют осуществлять сплошную проверку ответственных изделий и полностью гарантировать их бездефектность. Обычно эти методы объединены понятием дефектоскопии, которая базируется на применении различных физических методов, позволяющих обнаруживать и оценивать внутренние и поверхностные дефекты. Конечно, к неразрушающим методам контроля поверхностных дефектов относятся и визуальные методы, но они не приемлемы для современных методов производства.
Например, на крупных металлургических заводах при отсутствии специальных методов контроля сотни людей были заняты наружным осмотром труб или листов, что не только не гарантировало качества, но и вызывало огромные непроизводительные затраты. Применение дефектоскопии во многих случаях обеспечивает решение проблемы контроля качества.
Одним из важных направлений современной дефектоскопии является интроскопия — возможность контролировать внутреннее состояние и дефекты изделий, видеть внутри непрозрачных тел и сред.
В природе нет полностью непрозрачных (по отношению к различным лучам) тел. Практически для любого объекта можно найти метод просвечивания.
Обычные средства дефектоскопии не позволяют получить полную характеристику дефектов, так они, как правило, дают одноэлементную информацию, которой недостаточно для выявления формы и размеров дефекта, его ориентации и плотности заполнения.
475
Методы дефектоскопии и область их применения
Таблица 28
Метод	Объект контроля	Обнаруживаемые дефекты или контролируемые параметры
Рентгено- и гамма-просвечивание	Литье и стыковые соединения, измерение толщины стенок	Поверхностные и глубинные трещины, раковины, рыхлоты, лик-вационные зоны, включения
Капиллярный	Поверхностные слои деталей	Трещины (усталости, закалочные, шлифовочные), поры, рыхлоты
Ультразвуковые: теневой импульсный эхо-метод резонансный	Стенки при двустороннем доступе Поковки, прокат Стенки листов и труб	Раковины, расслоения и т. д. То же, а также зоны крупно-зернистой структуры Расслоения
Звуковые: свободных колебаний импедансный	Неразъемные соединения	Непропаянные и непро-клеенные зоны при соединении
Магнитные: магнитопорошковый феррозондовый магнитографический	Поверхностные слои магнитных деталей Поверхностные слои деталей Сварные соединения из магнитных металлов	Поверхностные несплош-ности (трещины, волосовины и др.). Магнитная структуро-скопия Дефекты несплошности Измерение магнитных полей Трещины и непровары глубиной до 10% толщины стенки
Электромагнитные: метод накладной катушки метод проходной катушки экранный метод	Лакокрасочные и гальванические покрытия, стенки листов и труб Проволока, прутки, трубы, контроль по маркам Листы, сварные соединения	Толщина покрытий и стенок, несплошности, трещины, электропроводность поверхностных слоев Вытянутые в длину несплошности; твердость, поверхностное содержание углерода, размеры Скоростной контроль толщины, качество точечной сварки; выяв-, ление несплошн остей
476
Для получения данных о реальных дефектах необходима более полная информация о внутреннем строении вещества. Такую многоэлементную информацию можно получить путем использования различных спектров проникающих излучений. Физическая основа интроскопии — взаимодействие проникающих излучений с веществом, в котором они распространяются.
В качестве агента, способного нести многоэлементную информацию о внутреннем строении, составе и свойствах непрозрачных тел и сред, могут быть использованы многие виды оптически сформированных или пространственно распределенных потоков проникающих излучений (от гамма-квантов высоких энергий до радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, от упругих колебаний высокой частоты до корпускулярных излучений). Возможно использование для тех же целей нейтронных потоков и других частиц с еще более высокой проникающей способностью [118; 171 ]. Большие перспективы для неразрушающего контроля имеют голографические методы.
Неразрушающим методам контроля посвящена обширная специальная литература. В ряде случаев отдельно выделяют дефекто-метрию, подчеркивая возможность данного метода не только обнаруживать, но и измерять величину дефекта. Сведения о наиболее распространенных областях применения методов дефектоскопии приведены в табл. 28 [881.
Методы дефектоскопии с успехом применяются также для нужд диагностики различных машин (см. гл. 12, п. 4), [53].
Применение неразрушающих методов контроля как составной части технологических процессов повышает их надежность, обеспечивает выпуск продукции требуемого качества.
ГЛАВА 11
ИСПЫТАНИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ
1. Классификация видов и методов испытания
1. Цель испытаний на надежность. Основная цель испытаний на надежность — определить уровень надежности изделия и оценить его числовыми показателями. Знание уровня надежности изделия и его зависимости от основных факторов позволит решить широкий круг вопросов, таких, как подтверждение установленных характеристик надежности, выявление слабых мест изделия и разработка мероприятий по повышению его надежности, применение рациональной системы ремонта и ТО машины, определение эффективности и экономической целесообразности дальнейшей эксплуатации машины, а также произвести проверку расчетов и прогнозов, выполняемых при проектировании изделия и оценить качество технологического процесса, обеспечившего его изготовление.
Испытания на надежность любого, а тем более сложного изделия являются весьма трудной задачей, поскольку они связаны со значительными затратами времени и должны учитывать широкий диапазон режимов и условий работы изделия. Результаты испытания, как правило, дают сведения о надежности изделий данного типа с большей или меньшей полнотой и степенью достоверности и позволяют получить одну из следующих характеристик (рис. 153).
1.	Законы распределения сроков службы (наработки) до отказа для каждого из выходных параметров изделия с учетом условий и режимов его работы. Эта характеристика является наиболее полной и позволяет определить все необходимые показатели надежности, и, в первую очередь, вероятность безотказной работы за данный период времени Р (t=T). Однако получение законов распределения f (0, хотя и является весьма желательным, обычно трудно осуществимо. Оно требует большого статистического материала, который связан с длительными испытаниями и большими материальными затратами. Законы распределения могут быть практически получены лишь для простых изделий или образцов.
2.	Случай, когда определены отдельные параметры законов распределения или получены данные, неполно характеризующие эти законы, является типичным результатом испытания на надежность многих объектов. Например, может быть определена вероятность безотказной работы изделия в течение заданного периода времени, но остается неизвестной характеристика безотказности для более длительного периода работы изделия или закон распределения сроков службы и его параметры определены лишь с известной степенью достоверности. По этой ограниченной информации также надо сделать заключение об уровне надежности изделия.
478
3.	Сложность и продолжительность испытаний может привести к невозможности оценки изменения выходных параметров изделия во времени. В этом случае показателем может служить запас надежности по каждому из параметров, который хотя и не связан е временем, но дает определенную информацию о надежности изделия. В сочетании с методами прогнозирования (см. гл. II, п. 5) эти результаты испытаний могут быть использованы для определения уровня надежности изделия.
4.	Наконец, во многих случаях из-за сложности задачи вообще невозможно оценить уровень надежности изделия в абсолютных значениях, а лишь сравнить его в относительных показателях применительно к прототипу или аналогичным изделиям. Испытание может дать ответ, во сколько раз, например, возрастает безотказность или долговечность нового изделия, работающего в аналогичных условиях, что и прототип, не решая вопроса о действительном уровне надежности изделия.
\ Вариант	Результат испытания					Показатель	Могут быть определены
1	f(t)	1				p(t) KH(t) Ui	Все основные показатели надежности
		t					
2	f(t)			Г / _С\		Р(^ТИ)	Показатели надежности для ограниченного периода Времени
		УИ^		t			
3	Кн 1	—			——	кн	Запас надежности
	0	1 2	п					
4	Кн_ кно 1					*н кно	Сравнительные показатели
							
		1 2 ...п					
Рис. 153. Характеристики, получаемые в результате испытания изделия на надежность
479
Следует иметь в виду, что относительный уровень надежности может и не отражать действительного состояния дел. Например, безотказность изделия повысилась по сравнению с прототипом, однако и этот уровень может не удовлетворять требованиям ТУ.
Таким образом, в результате испытаний на надежность могут быть получены как полные характеристики изделия, позволяющие решить все основные задачи надежности, так и ограниченные данные, которые могут быть использованы лишь в сочетании с методами расчета и прогнозирования.
При планировании и проведении испытаний всегда борются две противоположные тенденции: желанию получить наиболее полную характеристику надежности препятствуют длительность и стоимость испытания. Для высоконадежных изделий часто никакие затраты не могут ускорить получение информации о показателях надежности, и фактор времени является основным критерием при выборе метода и объема испытаний на надежность.
2.	Виды испытаний на надежность. Информация о надежности может быть получена не только в результате испытаний, но и из сферы эксплуатации путем сбора и классификации соответствующих данных (см. гл. 4, п. 5 и гл. 12, п. 1). В данной главе рассматриваются лишь специально проводимые испытания на надежность, которые могут быть исследовательскими, проводимыми для изучения факторов, влияющих на надежность, и контрольными, цель которых — оценка уровня надежности данного изделия (ГОСТ 16504—74). По месту проведения испытаний они могут быть стендовыми, полигонными и эксплуатационными.
Стендовые испытания обеспечивают постоянное наблюдение за процессом потери машиной, узлом или сопряжением работоспособности и дают возможность получать необходимые сведения о надежности и долговечности объекта испытаний.
На стендах испытываются как отдельные узлы и механизмы машины, так и машина в целом. При разработке методики испытаний нужно стремиться к тому, чтобы режимы и условия испытаний в наибольшей степени соответствовали эксплуатационным.
Наибольшая трудность при испытании на надежность и долговечность заключается в длительности испытаний. Стендовые испытания продолжаются обычно до тех пор, пока не возникнет отказ или пока изделие не проработало заданного срока без отказа.
Поскольку сроки службы деталей и узлов современных машин достаточно велики, то во многих случаях приходится проводить испытания в более тяжелых условиях, чем нормальные условия эксплуатации.
Эксплуатационные и полигонные испытания опытных и серийных образцов машин широко применяются для получения данных о надежности и долговечности изделий. При этом стремятся создать наиболее тяжелые условия эксплуатации, чтобы проверить работоспособность всех узлов и механизмов. Так, опытные образцы автомобилей перед их серийным производством испытываются на 480
специально выбранных или даже искусственно созданных плохих дорогах и в различных климатических условиях. Эксплуатационные испытания позволяют выявить недолговечные элементы машины, правильность взаимодействия узлов и механизмов и их работоспособность в реальных условиях функционирования.
Недостатком таких испытаний является, во-первых, не всегда достижимая длительность испытания, соответствующая нормальной эксплуатации (например, опытный образец станка нельзя заставить работать 5—10 лет), и, во-вторых, результат испытания, характеризующий параметры надежности выбранного объекта (индивидуальная надежность), не дает представления о дисперсии сроков службы и даже об их средних значениях для данной модели машины.
Поэтому большое значение имеют ускоренные испытания, при которых необходимый объем информации о надежности получается в более короткий срок, чем при нормальных условиях и режимах эксплуатации (см. гл. 11, п. 4). При проведении контрольных испытаний на надежность в ряде случаев рекомендуют их подразделять на испытания на безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость и долговечность (ГОСТ 20699—75).
Испытания изделий на безотказность сводятся к контролю вероятности безотказной работы за заданное время или к определению наработки на отказ (средней наработки до первого отказа). Испытания на ремонтопригодность обычно проводятся для определения среднего времени восстановления или вероятности восстановления работоспособности изделия за заданное время. Испытания на долговечность предназначаются для контроля среднего или гамма-процентного ресурса. Испытания на сохраняемость предусматриваются для контроля вероятности сохранения показателей изделия в течение заданного срока. Часто требуется информация обо всех основных показателях надежности изделия, и проведенные контролъные испытания должны одновременно дать сведения о безотказности, долговечности, сохраняемости, ремонтопригодности и других показателях.
3.	Объект испытания на надежность. Объектом испытаний могут быть:
образцы, если испытываются свойства материалов, определяющие долговечность изделий (испытания на износостойкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость и т. п.);
детали, сопряжения и кинематические пары — для учета влияния конструктивных и технологических факторов на срок службы данных сопряжений (испытание подшипников, зубчатых колес, направляющих, шарниров и т. п.);
узлы машины, когда учитывается взаимодействие отдельных механизмов и элементов конструкции и их влияние на показатели работоспособности (испытание коробок скоростей и редукторов, Двигателей, гидроагрегатов, систем управления, отдельных функциональных узлов машины);
Проников А. С.	481
машина в целом, когда учитывается взаимодействие всех механизмов и узлов в машине, условия ее эксплуатации и режимы работы (стендовые и эксплуатационные испытания станков, автомобилей, текстильных машин и др.);
система машин, когда показатели надежности учитывают взаимодействие отдельных машин, связанных в единый производственный комплекс (надежность работы технологических автоматических линий или цехов на заводе, самолетов с учетом оборудования аэродромов, машин и агрегатов корабля и т. п.).
Таким образом, объектом испытания могут быть разнообразные изделия от очень простых, обладающих однородными свойствами и одним или несколькими выходными параметрами, до сложных машин и комплексов, а также специально изготовленные модели (изделие или его часть, выполненные в масштабе) или макеты (упрощенное воспроизведение изделия или его части). Методика испытаний на надежность и их объем зависят от сложности изделия и его специфических особенностей.
4.	Характеристики, оцениваемые при испытании на надежность. Могут быть две основные группы характеристик изделия, которые являются объектом измерения и оценки при испытании на надежность.
1. Характеристики процессов старения и разрушения и определение соответствующей им степени повреждения изделия. Так, при испытании изучается протекание процессов изнашивания, коррозии деформации, усталостных разрушений, нагарообразования и других (см. гл. 2), которые являются основной причиной потери изделием работоспособности.
2. Характеристики изменения выходных параметров изделия (точности, КПД, несущей способности и т. д.), выход которых за допустимые пределы приводит к отказу. Хотя изменения параметров изделия и являются следствием процессов повреждения, но они могут зависеть от нескольких процессов, с невыявленными функциональными связями и, в первую очередь, интересовать практику.
Оценка процессов повреждения или выходных параметров изделия или того и другого вместе зависит от объекта испытания и поставленных задач. В общем виде можно отметить, что чем сложнее объект испытания, тем большая доля общего объема испытаний приходится на оценку выходных параметров, что схематично показано на рис. 154.
При испытании материалов исследуются те процессы, которые приводят к его разрушению или изменению свойств. Для деталей и сопряжений кроме процессов повреждения определяются, как правило, и их выходные параметры — точность движения (вращения), изменение взаимного положения (износ сопряжения), коэффициент трения и др.
Для механизмов узлов и тем более машин основным объектом измерения являются их выходные параметры. Процессы поврежде-482
Оценки при испытании ।	—,	——
Выходных параметров • изделия
Процессов старения и разрушения '	I
--------1-------1--------1_____2 Материал \с^я^ние\ Ме*™изм\ Машина
Рис. 154. Измерение характеристик объекта при испытании на надежность в зависимости от его сложности ния уже исследовались и оценивались при испытании отдельных элементов и узлов машины. При испытании всей машины процессы старения обычно регистрируются лишь для наиболее ответственных элементов, в основном определяющих работоспособность сложного изделия, например износ цилиндров двигателя, направляющих станка и т. п.
Задачи испытания и объекты измерения должны быть указаны в разрабатываемых для каждого случая методике и плане испытаний — совокупности правил для осуществления заложенных принципов, устанавливающих порядок проведения испытаний и критерии их прекращения.
5. Испытания опытных и серийных образцов. При проведении испытаний на надежность необходимо распределять их объем между опытным и серийным производством машины, установить основные виды испытаний и так спланировать их последовательность, чтобы быстрее получить необходимую информацию и внести соответствующие изменения в конструкцию изделия. В этом отношении большой опыт накоплен передовыми машиностроительными заводами. Так, один из создателей системы КАНАРСПИ (см. гл. 9, п. 5) канд. техн, наук Т. Ф. Сейфи считал, что, исходя из принципа скорейшего получения информации о надежности, максимум испытаний и исследований должно проводиться в период опытного проектирования и изготовления опытного образца изделия. Однако, как правило, этих испытаний оказывается недостаточно, так как при проведении испытания одного опытного образца изделия можно случайно получить такие результаты по надежности, которые не будут отражать действительной картины. Поэтому исследования проводятся также в процессе подготовки производства и в ходе серийного изготовления машины, тем более, что технологический процесс изготовления опытного образца изделия всегда отличается от серийного, что не может не повлиять на показатели качества и надежности изделий. Кроме того, при испытании на надежность серийных образцов должно быть учтено следующее:
1)	экспериментально проверены те конструктивные изменения, которые внесены в машину в результате отработки на макете, а также изменения и модификации, предложенные конструкторами серийного конструкторского бюро;
2)	расширены и углублены исследования условий и режимов работы элементов конструкции в реальных условиях эксплуатации, так как на опытном образце эти исследования, как правило, проводятся в небольшом объеме;
16*	483
3)	выявлены причины отказов изделий в процессе производственных проверок и при эксплуатации первых экземпляров.
В процессе конструктивной доводки сложных машин обычно вначале проводятся лабораторные испытания на надежность (ресурсные испытания) элементов конструкции и отдельных систем.
В лаборатории прочности и надежности проводятся статические и динамические испытания узлов, деталей, систем, агрегатов и изделий в целом с целью определения общих запасов прочности силовых элементов; вибрационные и усталостные испытания деталей, узлов, систем, агрегатов с целью определения ресурса; испытания на износ отдельных сопряжений и механизмов; испытания на параметрическую надежность, при которых оценивается точность функционирования, динамические параметры, КПД и другие характеристики работоспособности узлов изделия и их изменение во времени.
Последний вид испытаний является, как правило, наиболее сложным и трудоемким. Это усугубляется тем, что часто необходимо исследовать поведение элементов систем при высоких и низких температурах, повышенной влажности и запыленности, при вибрациях, различных механических и электрических перегрузках и т. д.
После лабораторных испытаний проводятся комплексные испытания надежности (ресурса) систем на натурных стендах и эксплуатационные испытания машины.
Первые промышленные образцы машин (одно или несколько изделий) подвергаются эксплуатационным испытаниям на надежность. В процессе этих испытаний определяется технический ресурс и другие показатели надежности изделия, а также его эксплуатационные характеристики. Одновременно ведутся исследования условий и режимов работы всех комплектующих агрегатов и приборов для уточнения их технических условий и разработки методик и программ входного контроля.
Работы по повышению качества и надежности машины не заканчиваются с освоением ее в серийном производстве и продолжаются в течение всего периода производства и эксплуатации, когда более широко используется информация об отказах изделий, выявленных в процессе эксплуатации (см. гл. 12, п. 1).
Следует иметь в виду, что на практике имеют место расхождения в оценке надежности, определенной на основании испытания изделия, и реальным уровнем надежности, полученным из сферы эксплуатации. Причины этих расхождений должны быть выявлены. Они связаны либо с испытанием (недостаточность данных, неправильная методика испытаний), либо с методами эксплуатации (нарушаются установленные ТУ или режимы работы, машина эксплуатируется в условиях, для которых не предназначена, не соблюдается система ремонта и ТО). Правильно построенные испытания могут дать объективную характеристику уровня надежности не только испытываемого изделия, но и всей совокупности изделий данного типа.
484
2. Испытание стойкости материалов
1.	Общие требования при испытании стойкости материалов. Испытание стойкости материалов, т. е. их сопротивляемости разрушению, износу, коррозии, кавитации и другим процессам, является исходным для суждения о надежности тех изделий, где эти процессы играют основную роль в потере работоспособности. В результате этих испытаний должны быть получены данные о скорости протекания процессов при действии различных факторов или о критических значениях параметров, при которых возникают нежелательные формы процесса разрушения. Основной целью испытаний стойкости материала является установление зависимостей, связывающих характеристики материала с воздействиями, приводящими к его разрушению. Наиболее ценной является аналитическая закономерность, связывающая процесс разрушения материала с физическими константами (см. гл. 2, п. 1). Однако такую зависимость, которая является достаточно универсальной, часто трудно получить из-за сложности физико-химических процессов (см. гл. 2) и она, как правило, относится к категории физических законов. Практические цели испытаний обычно более узки и сводятся к получению данных о стойкости материала в заданном диапазоне условий его работы. Эти данные могут быть выражены в виде аналитических зависимостей, таблиц, графиков или в иной форме.
Общие требования, которые предъявляются к испытаниям материалов на тот или иной вид разрушения, следующие:
испытания должны проводиться в условиях, возможно ближе моделирующих условия эксплуатации материалов в конструкциях или машинах, и соответственно выбрать вид нагружения образцов, действующие нагрузки, скорости, температуры, условия смазки и др.;
конструкция испытательной машины должна обеспечивать весь необходимый диапазон условий испытания;
испытания (методы, испытательные машины, образцы) должны быть стандартными и обеспечивать сопоставимость результатов, проведенных различными исследователями;
условия и метод испытания должны обеспечить получение характеристик, оценивающих работоспособность материала в данных условиях с наименьшим влиянием конструктивных особенностей образцов — это позволит использовать данные испытания для оценки надежности различных деталей, дополнительно учитывая особенности их конструктивных форм;
длительность испытания связана как с характером протекания процесса (например, наличием периодов с различной физикой процесса,) так и с точностью измерения хода процесса. Чем выше точность методов оценки степени повреждения, тем, в общем случае, может быть больше сокращена длительность испытаний (см. гл. 11, п. 4);
485
Рис. 155. Схемы испытания материалов на износ
при одновременном испытании нескольких образцов могут применяться различные планы испытаний, которые определяют условия проведения и критерии прекращения испытания (см. гл. 11, п. 3).
В основу разработки методики и порядка испытания стойкости материала должен быть положен соответствующий физический закон, в общей форме описывающий данный процесс — упругой и пластической деформации материала, изнашивания, усталостного разрушения и др. Испытания должны определить параметры данного закона для выбранных условий и материалов или те характеристики процесса старения, которые необходимы для оценки надежности изделий, выполненных из исследованных материалов и работающих в аналогичных условиях.
2.	Выбор схемы испытания. Для каждого вида испытания материала на стойкость по отношению к тому или иному процессу старения применяется, как правило, большое число схем и методов. Чем сложнее процесс, чем больше факторов влияет на его протекание, тем разнообразнее варианты нагружения, кинематика, среда, применяемые при испытании. Особенно показательно в этом отношении испытание на износ, поскольку на процесс изнашивания влияет большое число факторов (см. гл.5).
В качестве примера на рис. 155 приведены наиболее часто применяемые схемы испытания материалов на износ, в том числе на прирабатываемость.
Здесь в каждом варианте отражены особенности типичных пар трения. Это является в известной мере нарушением принципа, при 486
котором должен испытываться именно материал, а затем эти данные применяться для различных сопряжений с учетом масштабного фактора и тех особенностей трения и износа, которые зависят от конструкции и кинематики пары. Например, полученная износостойкость пары при трении колодки по цилиндрической поверхности (рис. 155, а) может в принципе быть использована и для оценки износостойкости поступательной пары (типа рис. 155, а), если соблюдаются те же условия трения — давления, скорости относительного скольжения, смазка, засоренность поверхности и др. При этом должна быть произведена поправка, которая учитывает переменность направления движения, условия теплоотвода и т. п. Однако в настоящее время нет методики таких расчетов и попытка перейти от одной пары к другой вряд ли даст удовлетворительный результат. Обычно проще провести эксперимент непосредственно с новой парой, чем учитывать дополнительные факторы, которые характеризуют другую пару трения. Такое положение является результатом еще недостаточного развития теории изнашивания материалов. При наличии законов изнашивания, связывающих интенсивность процесса с физико-химическими характеристиками материалов и с условиями, в которых протекает процесс, станет возможным испытывать стойкость именно материала.
Следует отметить, что на другие виды разрушения материалов в разной степени влияют масштабный фактор и конструкция детали. Так, при оценке коррозионной стойкости материала результаты, полученные для образца, при сохранении внешних условий могут быть, как правило, использованы для различных деталей. Однако, если испытывается усталостная или коррозионно-усталостная прочность материала, то форма и размеры образцов (которые стандартизованы) оказывают существенное влияние на процесс разрушения, поскольку не только вид нагружения, но и конструкция детали и технология ее обработки (шероховатость поверхности) определяют напряженное состояние и выносливость материала. Как известно, для усталостного разрушения разработаны методы пересчета на другой цикл нагружения, а также методы оценки концентрации напряжения и масштабного фактора. Это позволяет более широко использовать результаты испытания образцов для определения усталостной долговечности деталей различных конструктивных форм. В общем случае можно сказать, что применяемая схема испытания стойкости материала отражает уровень познания физики данного процесса. Чем глубже наши знания в раскрытии закономерностей процесса, тем больше методы испытания стойкости материалов абстрагируются от конструктивных форм изделий и отражают свойства и характеристики самих материалов.
3.	Исследовательские и контрольные испытания стойкости материалов. При испытании стойкости материалов могут протекать различные по своей природе процессы. Поэтому разработка методов контрольных испытаний, необходимых для оценки степени
487
пригодности данного материала из условия надежности, проводится на основе исследовательских испытаний по выявлению основных закономерностей процесса. Например, при оценке износостойкости материала необходимо не только определить скорость изнашивания и класс износостойкости (см. гл. 5 п. 5), но и убедиться, что физическая сущность процесса и вид износа соответствуют принятой концепции. Для проведения исследовательских испытаний на износ необходимо иметь как испытательный стенд и приборы для измерения величины и интенсивности износа (что достаточно для контрольных испытаний), так и аппаратуру для исследования физики процесса.
Исследовательские испытания на износ включают обычно металлографические исследования тонких поверхностных слоев для оценки структурных превращений под влиянием сил трения и тепла в зоне контакта. При этом применяются специальные приемы, например метод косого среза, для выявления переходных зон поверхностного слоя. Исследуется также микротвердость структурных составляющих, механические характеристики материала, его теплофизические свойства, геометрия поверхностного слоя (шероховатость, волнистость), его напряженное состояние и другие характеристики.
Проведение контрольных испытаний материалов без предварительного комплекса исследовательских испытаний часто не дает желаемого результата, так как без понимания физики процессов, происходящих при работе деталей машин, нельзя сделать правильные выводы из формально проведенного испытания. В специальной литературе имеются описания стендов и машин для испытания на трение и износ [120, 217], усталостную прочность [66], контактную усталостную прочность [139], коррозионную стойкость [188] и другие виды разрушения материалов.
ГОСТ 16504—74 предусматривает также классификацию испытаний в зависимости от основного вида воздействий на данный образец или деталь. Различают механические, электрические, тепловые, гидравлические (пневматические), радиационные, электромагнитные, магнитные, биологические, климатические и химические испытания. Такие испытания наиболее характерны для оценки стойкости материалов, так как сложное изделие, как правило, подвергается нескольким видам воздействий.
4.	Выбор режима нагружения. Поскольку сопротивление материала различным воздействиям зависит от их вида и уровня, при испытании стойкости материала необходимо выбрать режим нагружения образца, т. е. весь комплекс силовых, тепловых и иных воздействий, влияющих на интенсивность данного процесса разрушения (старения). Материал изделий при работе машины в различных эксплуатационных условиях подвергается, как правило, широкому диапазону воздействий, что во многом определяет вероятностную природу протекания процесса разрушения или старения и должно быть учтено при испытаниях. Обычно практику ин-488
тересует поведение материала в различных условиях работы с тем, чтобы оценить его стойкость и сделать прогноз о надежности изделия. Вместе с тем длительность испытания на надежность и большое число действующих факторов затрудняют получение оценок при всех возможных вариантах нагружения. Поэтому при испытании обычно применяют специально выбранные условия и режимы, которые позволят в наибольшей степени характеризовать стойкость изделия при эксплуатации. Возможны следующие варианты нагружений при оценке стойкости материалов.
1.	Испытание проводится при постоянном режиме, который отражает либо типичные условия эксплуатации, либо наиболее интенсивные из допустимых воздействий.
Результаты испытаний позволят сделать выводы о возможностях материала, но не пригодны для оценки надежности изделий, для которых этот материал будет применяться, даже при высокой достоверности полученных данных.
2.	Испытание проводится при нескольких типовых режимах, которые отражают наиболее распространенные случаи эксплуатации изделия. Хотя здесь информация более обширна, но она позволяет обычно судить лишь о возможном диапазоне применения материала и также недостаточна для расчета надежности изделия.
3.	Испытания проводятся при различных сочетаниях основных факторов в диапазоне тех условий, которые характерны для работы материала при эксплуатации изделия. Объем испытаний должен быть таким, чтобы была выявлена закономерность процесса, его зависимость от основных изменяемых параметров. Такие результаты, полученные при исследовательских испытаниях, хотя и весьма трудоемких, являются основой для последующего прогнозирования надежности изделия. Трудоемкость испытаний может быть снижена, если раскрыта физическая картина процессов и если применяются методы планирования многофакторных экспериментов.
Таким образом, при планировании режимов нагружения для испытания стойкости материалов оценивают больший или меньший диапазон условий работы образца и для каждого режима нагружения определяется соответствующий выходной параметр — величина повреждения (U) или скорость процесса повреждения у = dU/dt.
Хотя при большом числе вариантов нагружения и возможно получение закономерностей, учитывающих влияние основных факторов, этого может быть недостаточно для оценки надежности изделия, так как режимы работы изделия в условиях эксплуатации неравномерны и подчиняются законам рассеивания.
Для непосредственного использования результатов испытаний при расчете надежности изделия должен быть получен закон распределения скоростей процесса старения (изнашивания) для предполагаемых условий эксплуатации, для чего необходимо проведе-
489
Рис. 156. Режимы нагружения образцов:
а -—'при обычных методах испытания; б — при физико-статистическом моделировании
ние специальных испытаний, в которых сочетаются физические и статистические методы оценки скорости протекания процесса старения.
5. Физико-статистическое моделирование процесса старения. Основная идея этого метода заключается в том, что при проведении испытаний вначале устанавливается массив режимов нагружения, который отражает не только диапазон применяемых значений входных параметров Z (скоростей, нагрузок, температур и т. п.), но и законы их распределения в условиях эксплуатации. Эти законы получены либо из анализа условий эксплуатации аналогичных машин или прототипов данной машины, либо оценивают возможную ситуацию при эксплуатации новой машины.
Скорость повреждения у (скорость изнашивания) будет случайной величиной и для ее полной характеристики необходимо получить закон распределения, например, плотность вероятности f (у) или числовые характеристики этого закона — математическое ожидание М (у), дисперсию D (у), квантиль ур и др.
Для получения этих характеристик автором применен метод, в котором выбор режима нагружения производится из массива данных на основе выбора случайного сочетания параметров с учетом законов их распределения (рис. 156).
Таким образом, если при обычных методах нагружения каждому сочетанию входных параметров соответствовало определенное значение выходного параметра (например, скорости изнашивания у рис. 156, а), то при физико-статистическом методе испытания выбор режилюв производится методом, применяемым при статистическом моделировании (Монте-Карло). В результате при достаточном числе испытаний формируется закон распределения выходного параметра и получают не отдельные данные о скоростях изнашивания или величинах износа (повреждения), а их полную характеристику.
Данный способ оценки скорости изменения выходного параметра применим для тех случаев, когда последовательность назначения режима и предшествующие изменения состояния изделия не оказывают существенного влияния на ход процесса потери работоспособности.
490
Метод эффективен при применении высокоточных способов измерения выходных параметров, когда информация о скорости процесса может быть получена за сравнительно непродолжительный период времени.
Данный методический подход может быть использован как для оценки износостойкости или другого процесса старения материалов, так и при испытании изделий на параметрическую надежность, когда исследуется закон распределения выходного параметра X или его скорости X при известных законах эксплуатации. При исследовании износа сопряжения X = U и X ~ у.
Рис. 157 поясняет процесс оценки выходных параметров рассматриваемым методом. Случайная выборка, определяющая режим работы изделия (входной параметр Zx), приводит к изменению выходного параметра Хг = Uг при первом цикле испытаний /. Продолжительность этого и каждого последующего цикла — случайная величина Она определяется из условия стабилизации процесса изменения U и возможности получения достоверных значений скорости его изменения X = у. Возможна также регистрация у в начальный период работы изделия на данном режиме, так как эти данные, как правило, характеризуют наибольшую скорость изменения выходного параметра. После того, как определена скорость процесса, осуществляют следующую случайную выборку входного параметра из массива и переходят к последующему циклу испытаний.
Общее число циклов определяется из условия достоверности получения закона распределения скорости изменения выходного параметра — закона f (X) (на основе обычных критериев математической статистики).
Метод физико-статистического моделирования процессов старения материалов дает наиболее полную информацию для оценки и прогнозирования надежности изделий.
Рис. 157. Схема изменения выходного параметра при физико-статистическом моделировании
491
3. Стендовые испытания изделий на надежность с применением статистических методов
1.	Стендовые испытания узлов и механизмов машин. При оценке надежности узлов и механизмов машин, теряющих свою работоспособность из-за износа, усталости, коррозии и других причин, не удается, как правило, ограничиться испытанием стойкости материалов, из которых они выполнены. Конструктивные особенности деталей и механизмов, взаимовлияние отдельных элементов, масштабный эффект и другие факторы оказывают существенное влияние на показатели надежности изделия. Поэтому испытание стойкости материалов — это первый этап оценки надежности изделия, это исходные данные для прогнозирования и выбора лучшего варианта. Для подтверждения прогноза и уточнения или определения показателей надежности требуется проведение стендовых испытаний, которые при правильно построенной методике позволяют получить данные, близкие к эксплуатационным, и учесть конструктивные особенности изделия. Однако их трудоемкость значительно выше, чем испытание стойкости материалов на образцах, а результаты могут быть применимы лишь к данной конструкции.
Поэтому стендовым испытаниям должны подвергаться лишь те узлы, механизмы и системы, к которым предъявляются высокие требования надежности, а затраты на испытание экономически обоснованы. Чем сложнее испытываемый объект, тем большим числом выходных параметров оценивается его работоспособность и тем труднее провести такое число испытаний, которое позволило бы применить статистические методы для определения показателей надежности. Поэтому все стендовые испытания делятся на две категории. Для сравнительно простых узлов и механизмов, выпускаемых в массовом или крупносерийном производстве, проводится такое число испытаний, при котором может быть определен закон распределения сроков службы (наработки) изделия или его числовые характеристики. Для сложных изделий обычно такая возможность отсутствует и стендовым испытаниям может быть подвергнуто одно-два изделия. В этом случае методика испытания не может опираться на обычные (как их иногда называют— классические) методы математической статистики (см. гл. 11, п. 5). Свою специфику в обе категории испытаний вносят ускоренные методы испытаний (см. гл. 11, п. 4). При стендовых испытаниях с применением статистических методов для накопления данных стремятся одновременно испытывать несколько изделий и хотя бы часть из них доводить до отказа (см. ниже о планах испытания).
Испытанию на стендах подвергаются натурные узлы и элементы машины, макеты или модели объекта, что определяется в основном затратами на испытание.
492
На стенде должны быть воспроизведены условия, отражающие работу изделия в эксплуатации. Поэтому помимо основного силового нагружения узла предусматривается во многих случаях дополнительно влияние температур, вакуума, вибраций, различных сред и других воздействий.
Для наиболее- распространенных или стандартных узлов и механизмов стенды выполняются в вцде испытательных машин, обладающих обычно определенной универсальностью в отношении режимов нагружения и типоразмеров испытываемых изделий. В современных испытательных стендах и машинах часто предусматривается программное нагружение, когда спектр нагрузок автоматически воспроизводится по заданной программе.
2.	Схемы типовых испытательных стендов. Приведем примеры испытательных стендов и машин, применяемых для оценки надежности узлов, сопряжений и механизмов сравнительно простой конструкции, когда при испытании возможно накопление статистических данных (рис. 158).
При испытании на долговечность подшипников качения (рис. 158, а) основной узел испытательной машины состоит из вращающегося вала /, на котором установлено две пары подшипников. Одна пара смонтирована в узле радиальной нагрузки 3, а два других подшипника помещены по концам вала в корпусе машины [120]. Имеется специальный узел 2 для создания осевой нагрузки. Нагрузка создается гидравлически от специальной системы и может изменяться в необходимых пределах. Может регулироваться также и частота вращения вала, В стенде предусмотрены система смазки подшипников и измерения их температуры. Критерием окончания испытания является шум подшипников или повышение температуры, что происходит при усталостном разрушении поверхностных слоев тел качения и износе беговых дорожек.
Испытательные машины такого типа разработаны Всесоюзным научно-исследовательским институтом подшипниковой промышленности. Испытание на износ подшипников и подпятников скольжения может производиться на аналогичных стендах. Однако, если для опор характерны особые виды нагрузок, как, например, тля подшипников коленчатых валов двигателей, то испытательный стенд должен отражать эти особенности. Так, на Заволжском моторостроительном заводе создан стенд для испытания на износ и усталость подшипников скольжения двигателя [103], который позволяет имитировать пульсирующую нагрузку, действующую на опоры. На стенде одновременно испытываются две секции вала / (на рис. 158, б изображена одна секция). Каждая часть вала несет два инерционных груза 2, которые при вращении создают переменную нагрузку в опорах 3. Эти опоры выполнены в форме шатунов, головки которых закреплены на пальцах 4 корпуса. Каждая пара шатунов расположена под углом 90° к другой. Стенд позволяет оценивать срок службы (число циклов) подшипников при заданном уровне нагрузки или предел выносливости при
493
Рис. 158. Схемы стендов и машин для испытания на надежность:
а — подшипников качения; б — подшипников скольжения коленчатого вала; в — зубчатых передач; г ходовых винтов и гаек; д —> кулачков; е — гидроагрегатов
заданном количестве циклов нагружения. Данный стенд является примером макета для испытаний, когда осуществлено упрощение испытываемого объекта.
Разнообразные стенды применяются для испытания зубчатых колес. По способу создания нагрузки они делятся на стенды с разомкнутым контуром, когда крутящий момент создается специальным тормозным устройством, и с замкнутым контуром, когда нагрузка создается за счет упругой деформации кинематической цепи [169, 216].
Схема стенда с замкнутым силовым контуром показана на рис. 158, в. От электродвигателя 1 приводятся во вращение две одинаковые пары зубчатых колес 2, которые соединены длинными валами. На одном из них помещена фланцевая муфта 3, одна половина которой может поворачиваться относительно другой, в результате чего происходит упругое скручивание обоих валов. В замкнутом контуре создается нагрузка, а электродвигатель преодолевает только потери на трение.
Момент на электродвигателе определяется устройством 4 (система мотор-весы), а окружное усилие на зубчатых колесах измеряется при помощи динамометрического устройства при скручивании валов. Различные варианты стендов с замкнутым контуром отличаются прежде всего способом создания крутящего момента, например, за счет длинного торсионного вала, проходящего внутри пустотелого вала, за счет осевого смещения косозубых колес, специальным нагрузочным устройством с гидро- или пневмоприводом, позволяющим создавать усилия после начала вращения передачи или другими способами, 494
Схема стенда для исследования износостойкости пары ходовой винт—гайка показана на рис. 158, г [45]. Исследуемый винт 1 получает реверсивное вращение от гидропривода. Между двумя гайками 2 помещается нагрузочное устройство, пружина которого 3 создает необходимую осевую нагрузку. Рычаги 4 с роликами, которые перемещаются по планкам 5, удерживают гайки от поворота под действием сил трения. На стенде возможно измерение момента трения, осевых усилий, температуры на поверхности трения, осциллографирование плавности движения и колебаний сил трения. Износ винта измеряется по изменению толщины витков, а износ сопряжения — по изменению относительного положения пары винт—гайка. Пример схемы стенда для исследования износа спаренных кулачков текстильных машин приведен на рис. 158, д [161]. Здесь два одинаковых кулачковых механизма с повернутыми на 180° кулачками /, роликами 2 и качающимися толкателями 3 работают так, что концы рычагов совершают встречное движение по одному закону. Поэтому нагрузочное устройство состоит из гибкой ленты 4, охватывающей ролик 5, ось которого при работе остается неподвижной. Нагрузка создается пружиной 6. На стенде можно измерять динамические нагрузки в паре кулачок—ролик, частоту вращения и проскальзывание ролика при движении его по кулачку. Последнее необходимо для оценки износа кулачковой пары, поскольку из-за инерционных сил в реальных кулачковых механизмах не наблюдается чистого качения ролика по кулачку, а проскальзывание приводит к повышенному износу пары.
Для оценки надежности многих машин характерно применение стендов для испытания гидроагрегатов — насосов, плунжерных и золотниковых пар и других элементов. Упрощенная схема такого стенда приведена на рис. 158, е [132 ]. Основная идея стенда — исследование надежности гидроагрегатов при загрязнении рабочей жидкости. Для обеспечения неизменной концентрации загрязнителя, а также для сохранения работоспособности самого стенда его гидросистема разделена на две части — одна работает на чистой, а другая на загрязненной жидкости. Части изолированы друг от друга и насос, создающий давление в системе, а также другие гидроагрегаты, защищены от попадания абразивного загрязнителя.
Гидронасос с электродвигателем 1 подает из бака 2 чистое масло к распределительному крану 3 и оттуда в полость гидравлического разделителя 4. Последний представляет собой шаровой гидроаккумулятор с резиновой разделительной диафрагмой. Вводной полости находится чистая жидкость (масло), в другой — загрязненная. Создаваемое насосом в разделителе 4 давление вытесняет загрязненную жидкость из второй части и направляет ее в испытываемый гидроагрегат 5. Из него жидкость попадает в бак 6 с загрязненной жидкостью. Из бака насосом подкачки 7 заполняется второй разделитель 8, который приводится в состояние готовности для последующего питания гидроагрегата 5 загрязненной жидкостью.
495
После того, как из первого разделителя 4 вытеснена загрязненная жидкость, кран 3 переключается и питание начинает поступать к гидроагрегату от разделителя 5, а разделитель 4 заполняется загрязненной жидкостью. Система обратных клапанов (на схеме не показана) обеспечивает необходимое направление потоков масла.
На стенде данного типа испытывались плунжерные пары, для которых основным критерием потери работоспособности является изменение сил трения и утечки, насосы, износ которых приводит к изменению объемных характеристик, и другие элементы гидросистем [132].
Исследования надежности на стендах дают эмпирические (выборочные) характеристики распределения сроков службы или наработки и других показателей надежности. Для суждения по этой выборке о всей генеральной совокупности и о ее законе распределения необходимо располагать достаточным объемом данных и иметь методы оценки статистических параметров распределения.
3.	Планирование объема испытаний. При планировании испытаний на надежность одним из основных вопросов является установление необходимого и достаточного объема испытаний. Для получения достоверных и достаточно точных результатов необходим, как показывают расчеты с применением методов математической статистики, достаточно большой объем и длительное время испытаний. Так, если известно, что отказы подчиняются нормальному и экспоненциальному законам распределения, то надо оценить необходимое число наблюдений (испытаний) для определения математического ожидания Мн (0 и среднеквадратического отклонения а для нормального закона и математического ожидания
— ~ для экспоненциального закона [134],
При этих условиях доверительные границы определяются: для Мэ и о с помощью %2-распределения, а для Мц — с помощью распределения Стьюдента. Такие границы, подсчитанные при доверительности 0,98, показаны на рис. 159. Из графиков видно, что при малом числе п наблюдавшихся отказов ширина доверительного интервала, которая характеризует возможное отклонение в оценке параметра распределения, велика. Действительное значение параметра может в несколько раз отличаться от полученного из опыта значения соответствующей статистической оценки. С увеличением п границы доверительного интервала постепенно суживаются. Для получения достаточно точных 1и достоверных оценок требуется, чтобы при испытании наблюдалось большое число отказов, что, в свою очередь, требует значительного объема испытаний, особенно при высокой надежности объектов.
Для объектов, выполняемых в небольшом числе, подобные объемы испытаний оказываются часто неосуществимыми.
В этом случае необходимо иметь суждение о надежности на основании ограниченного числа испытаний и при их ограничен-496
Число отказов при испытаниях
Рис. 159. Доверительные грани* цы для Мн; о и Мэ при коэффи-циенте доверия 0,98; п — число отказов при испытаниях; Д — возможные отклонения от полученной из опыта статистической оценки
ной длительности. Это возможно сделать лишь при сочетании статистических методов с оценкой физической сущности процессов, приводящих к отказам, с применением ускоренных испытаний, с использованием методов моделирования, а также при сочетании испытаний с прогнозированием и расчетом надежности.
Если же возможно и необходимо получение достаточного числа данных
для их обработки методами математической статистики, то результаты испытания дадут полную информацию для определения всех основных показателей надежности. В этом случае для сокращения времени испытаний помимо применения методов ускоренных испытаний одновременно исследуют возможно большее число объектов. Это достигается либо за счет использования специальных многоместных стендов, где одновременно находятся в режиме испытания N изделий, либо проведением испытаний сразу на нескольких стендах (машинах).
Испытания на надежность связаны с фактором времени и поэтому они могут быть различной продолжительности в зависимости от поставленной задачи.
Например, если не ставится задача повышения ресурса изделия, нет необходимости испытывать изделие на более продолжительный срок, чем это предусмотрено правилами эксплуатации машины (с учетом доли участия данного элемента в цикле работы машины).
Во многих случаях испытание не удается довести до того момента, когда может быть зафиксирован отказ изделия, поскольку испытываемый экземпляр оказался весьма надежным и нет необходимости затрачивать время для его дальнейшего испытания.
Все эти варианты испытаний регламентируются заранее выбранным планом.
4.	Планы испытаний на надежность. ГОСТ 16504—74 предусмотрены различные планы испытания на надежность, когда при
497
испытании N объектов они при отказах могут не заменяться (объекты U) либо заменяться (объекты R) или восстанавливаться (объекты М). Прекращение испытания может производиться при достижении заданного времени испытания Т, при достижении числа отказавших объектов установленному значению г или при достижении г или Т в зависимости от того, какое из этих условий выполнено ранее.
Таким образом, возможны следующие 12 основных планов испытания (табл. 29).
Например, план Af, RU, г означает, что одновременно начинают испытания N объектов, отказавшие во время испытаний объекты заменяют новыми, испытания прекращают, когда число отказавших объектов, суммарное по всем позициям, достигнет установленного значения г. Каждый из вариантов имеет свои преимущества и недостатки, связанные с простотой испытаний и быстрейшим получением информации.
При оценке продолжительности работы каждого испытываемого изделия в общем случае могут быть три типа случайных значений (реализаций) Т:
полные реализации, когда известно время t = наработки изделия до отказа;
условные реализации, когда испытание прекращается при достижении t = Тис, а отказа изделия> не произошло. Здесь о сроке службы (наработке) известно лишь, что TL > ТИС;
неполные реализации, когда испытания прекращены через t = Тв раньше времени t — THZ, а о его реализации можно сказать лишь, что Tt > Тн.
При анализе планов испытаний и статистической обработке данных удобно применять графическое изображение результатов испытания [209]. Из графика, приведенного в качестве примера на рис. 160, видно, что из N = 15 проведенных испытаний по плану NUT при длительности испытания t = Тис пять изделий (4, 7, 10, 11 и 13) проработали, не отказав весь период испытания,
Таблица 29
Варианты планов испытания на надежность
Условия прекращения испытания	Планы испытаний на надежность		
	Объекты U не заменяются	Объекты Н заменяются	Объекты М восстанавливаются
Т	N, U, Т	N, R, т	N, М, Tz
Г	N, и, Г	N, R, г	N, М, rs
г или Т	N, U (г, Г)	N, R (г, Т)	М (г2, Т2)
498
Рис. 160. Графическое изображение результатов испытания на надежность
----х полная реализация
< условная реализация — • неполная реализация
три изделия (/, 8 и 15) были сняты с испытания до их отказа, а остальные проработали до отказа различные сроки. При анализе результатов в зависимости от значения установленного ресурса в расчет принимаются не все М = 15 результатов, так как имеются неполные реализации.
Так, если установлен ресурс / = ТР1 (см. рис. 160), то безотказность изделия определяется следующим образом:
число опытов принимается равным — 13, так как отбрасываются те неполные реализации, величина которых меньше Тр1 (реализации 1 и 8);
число отказов принимается равным числу полных реализаций, находящихся слева от t = Тр1, т. е. п = 3.
Точечная оценка для вероятности безотказной работы изделия (т. е. значение Р (/) при фиксированной наработке t = Т при неизвестном законе распределения)
рц=ти) ==1 - w- = i - 4=°’769-
Данное значение получено без оценки доверительного интервала (при знании закона распределения это возможно сделать по графику на рис. 159) и определяет частное значение случайной величины — наработки на отказ. При необходимости анализа результатов испытания для других значений ресурса следует поступать аналогичным способом. Так, если полученное значение Р (0 не удовлетворяет техническим условиям, то необходимо уменьшить допустимое значение ресурса, например, до t = Тр2, при котором Р (t =	=1 — "jj = °>93.
Из схемы на рис. 160 видно, что принятая длительность испытания больше установленного ресурса и, следовательно, продолжительность испытаний весьма велика. Чем выше требования к надежности изделия, тем труднее накапливать статистическую информацию об его отказах. Построение испытаний, при котором изделие работает достаточно долго, однако фиксируется лишь отсутствие отказа, обладает органическим недостатком— стремлением к безинформативности испытаний. Результат длительных испытаний на надежность высококачественных изделий может свестись лишь к констатации невозникновения отказов. В этом
499
случае более правильное построение испытаний будет при оценке процессов, протекающих в объектах, и определении законов изменения выходных параметров во времени. При испытании по рассмотренным планам в этом случае возможно назначение сокращенных значений допусков на параметр и фиксация условных отказов, что значительно сократит время испытаний (см. гл. 11, п. 4).
5.	О статистических методах обработки результатов испытаний. Результаты испытания на надежность при достаточном числе данных обрабатываются методами математической статистики. Характеристики надежности изделия получают по полной выборке — если известна наработка (срок службы) до отказа для всех испытываемых изделий (все реализации являются полными), или по сокращенной выборке (когда имеются полные и условные реализации). При этом в зависимости от поставленной задачи (например, надо или нет оценивать надежность изделия при значениях ресурса, больших, чем установленное ТУ), от объема и качества статистических данных, полученных при испытании, могут применяться различные варианты статистической обработки результатов. Если нет необходимости (или возможности) в определении вида закона распределения сроков службы (наработки) до отказа, то оценивается вероятность безотказной работы изделия для фиксированного значения t = 71, т. е. точечная оценка (см. выше). Если из построения модели отказа известен вид функции распределения f (/), то по результатам испытания определяются параметры этой функции. При неизвестном законе распределения на основании опытных данных строят гистограмму или полигон распределения и высказывается гипотеза о применимости того или иного закона распределения. Для подбора теоретического распределения, достаточно близко подходящего к полученному эмпирическому, часто применяют метод наименьших квадратов и метод максимума-правдоподобия [183]. В инженерной практике также широко применяются графические методы выявления закона распределения с применением «вероятностной бумаги», на которой нанесена специальная сетка для наиболее распространенных законов распределения [186].
Для проверки согласия распределения случайной величины, полученной по результатам наблюдений с предполагаемым теоретическим распределением этой величины, применяются критерии согласия Колмогорова, %2, to2 и др., процедура применения которых регламентирована стандартом ГОСТ 11.006—74 «Правила проверки согласия опытного распределения с теоретическим».
Математическая статистика дает методы проверки статистических гипотез, способы оценки параметров различных законов распределения и определения доверительных интервалов, а также решает другие вопросы, связанные с основной задачей статистики— как по частным результатам эксперимента сделать выводы об общих закономерностях, характеризующих генеральную сово-500
купность. Обычно при решении задач надежности трудности заключаются не в методах статистической обработки полученных данных, а в их получении, поскольку каждое испытание связано с большими затратами времени. Поэтому исходные данные по надежности, которые могли бы быть использованы для статистической обработки, получаются для сравнительно простых и обладающих невысокой долговечностью изделий, которых имеется в достаточном для испытания количестве. Более успешно методы математической статистики используются для обработки данных о стойкости материалов (см. гл. 11, п. 2), получаемые при этом результаты служат основой для построения моделей отказов и прогнозирования надежности (см. гл. 3 и 4).
Примеры обработки опытных данных при испытании изделий на надежность можно найти, например, в работе [79]. Для своевременного получения необходимой информации по надежности изделий большое значение имеют ускоренные испытания.
4. Ускоренные испытания на надежность
1.	Актуальность ускоренных испытаний. Сокращение времени на проведение испытаний на надежность является проблемой, имеющей первостепенное значение с точки зрения экономии средств, идущих на испытания, и для сокращения сроков освоения новых изделий [2031. Высокие требования надежности, предъявляемые к современным машинам, приводят к тому, что доведение изделия до отказа при режимах работы, соответствующих эксплуатационным, требует весьма длительных испытаний, гораздо больших, чем установленный для изделия ресурс. Если же требуются также статистические данные по наработкам до отказа, то часто организация таких испытаний становится практически неосуществимой.
При ускоренных испытаниях изделий применяются такие методы и условия их проведения, которые обеспечивают получение необходимого объема информации в более короткий срок, чем в предусмотренных условиях и режимах эксплуатации (ГОСТ 16504—74). Различают форсированные испытания, основанные на интенсификации процессов, вызывающих отказы или повреждения, и сокращенные испытания без интенсификации этих процессов.
Трудность разработки методов ускоренных испытаний заключается в том, что всякая интенсификация процессов разрушения или старения приводит к искажению истинной картины потери изделием работоспособности.
Перед исследователем всегда встает вопрос — возможно ли на основании этих искаженных данных сделать суждение о поведении изделия в нормальных условиях эксплуатации, и если да, то, как осуществить оценку надежности изделия?
Обычно положительный ответ на данный вопрос связан с объектом испытания, с его сложностью и теми задачами, которые ставятся при испытании.
501
При испытании стойкости материалов и надежности простых изделий с одним ведущим процессом повреждения имеется, как правило, больше возможностей для форсирования испытаний, чем для сложных изделий. Чем сложнее изделие, тем большее число его элементов работает в различных динамических условиях и форсирование процесса потери изделием работоспособности по-разному скажется на изменении состояния отдельных его частей и тем больше будет искажение общей картины потери машиной работоспособности по сравнению с нормальными условиями эксплуатации.
Возможность проведения ускоренных испытаний осложняется еще тем, что реальные условия нагружения любой машины при ее эксплуатации характеризуются спектром нагрузок вероятностной природы (см. гл. 12, п. 1).
Поэтому при разработке методов проведения ускоренных испытаний необходимо учитывать следующее:
изменение условий испытания по сравнению с эксплуатационными должно находиться в пределах, допускающих пересчет на нормальные условия работы изделия;
при планировании режимов испытаний необходимо знать спектр эксплуатационных нагрузок и его вероятностные характеристики;
чем сложнее изделие, тем меньше возможностей по интенсификации процессов, приводящих к отказам и повреждениям;
испытание сложных изделий необходимо сочетать с расчетами и прогнозированием надежности, а также с использованием априорной информации о надежности аналогов и комплектующих изделий.
Эффективность ускоренных испытаний можно охарактеризовать коэффициентом ускорения Лу, равным отношению времени Тэ, затраченному на получение требуемой информации о надежности при испытаниях в условиях, аналогичных эксплуатационным, ко времени Ту, в течение которого эта информация получена методом ускоренных испытаний:
ку = ^>1.	(1)
2.	Сокращенные испытания. Сокращение длительности испытаний без интенсификации процессов старения и разрушения может быть достигнуто различными методами.
Наиболее простой метод заключается в уплотнении испытаний по времени — в сокращении холостых ходов и простоев, в круглосуточной непрерывной работе изделия и т. п. Однако использовать этот простой метод ускорения испытаний можно только после анализа влияния перерывов в работе изделия на интенсивность процесса разрушения. Здесь могут встретиться различные случаи. Например, увеличение частоты циклов нагрузки при усталостных разрушениях в большинстве случаев не влияет на конечный результат, в то время как при изнашивании деталей наличие перерывов в работе может как увеличивать износ (например, при 502
жидкостном трении в подшипниках скольжения), так и уменьшать его (например, при эксплуатации металлорежущего инструмента, так как при перерывах в работе он охлаждается). Если при испытаниях ликвидированы все холостые ходы Тх и имеет место непрерывная работа то
К — •Гр лу 7’р
(2)
Сокращение длительности испытаний будет также при одновременном испытании возможно большего числа изделий, что достижимо для сравнительно простых изделий.
Для быстрейшего получения информации о надежности сложных машин без искажений условий эксплуатации часто выделяют лидера (применяемый в авиации термин) — машину, которая эксплуатируется непрерывно в заданных, как правило, наиболее тяжелых условиях. При испытании производят измерение всех ее основных параметров и характеристик. В результате такого испытания данные о надежности машины-лидера накапливаются значительно быстрее, чем для аналогичных машин, находящихся в эксплуатации.
Непрерывные испытания лидера (кривая 7, рис. 161, а} приводят к более быстрому накоплению информации об изменении выходного параметра X, чем при испытании с наличием перерыва в работе (кривая 2).
Рис. 161. Методы ускоренных испытаний за счет:
а — уплотнения испытаний во времени; б — форсирования нагрузки; в — метод «доламывания» образца; г — метод экстраполяции; д — ужесточения факторов внешней среды; е — повышения точности измерения параметров
503
Трудности для суждения о надежности всей генеральной совокупности машин заключаются в том, что испытываются одна-две машины, которые обладают индивидуальными особенностями, и методы статистики здесь неприменимы.
Уплотнение испытаний по времени не искажает в большинстве случаев процесса потери изделием работоспособности, но дает заметный эффект лишь для тех изделий или их элементов, которые мало загружены в процессе нормальной эксплуатации. Например, механизм загрузки станка-автомата работает после обработки каждой детали, что занимает незначительную долю в балансе рабочего времени станка. Шасси самолета выпускается при каждой посадке, а во время полета не функционирует. Переключение скоростей у станка-автомата занимает незначительную долю в общем времени эксплуатации машины и т. п.
Все эти механизмы испытываются в режиме непрерывной работы, что позволяет за сравнительно короткое время получить необходимую информацию об их надежности без интенсификации процессов повреждения. Поэтому такие узлы и механизмы целесообразно испытывать отдельно от машины.
Однако для многих машин с высокой загрузкой при эксплуатации (например, текстильные машины работают, как правило, круглосуточно) и для механизмов, работающих в течение основного времени цикла машины, указанный метод ускорения не пригоден.
При испытании сложных изделий сокращенные испытания проводятся только для некоторых характеристик надежности, например запаса надежности. В этом случае испытание изделия сводится к оценке его области состояний без определения ее изменения в процессе эксплуатации. Поэтому время, затрачиваемое на испытание изделия, включает лишь оценку его работоспособности при различных режимах и условиях работы и не учитывает процессов старения. Для более полного суждения о надежности изделия здесь необходимо прогнозирование процесса изменения выходных параметров или моделирование этих процессов (см. гл. 11, п. 5).
Достоинство перечисленных методов — малое искажение тех явлений, которые имеют место в машине при ее эксплуатации. Однако достоверность суждений о надежности изделий в сильной степени зависит от правильности построения модели отказов и от совершенства методов прогнозирования и моделирования.
3.	Форсирование режимов испытания. Применение при испытании более высоких нагрузок, скоростей, температур и других режимов работы изделия по сравнению с эксплуатационными интенсифицирует процессы повреждения и ускоряет наступление отказа.
Однако этот метод ускоренных испытаний следует применять весьма осторожно, так как работа изделия при форсированных режимах может вызвать новые явления в процессах старения и 504
разрушения, не характерных для применяемых условий эксплуатации, и качественно изменить картину отказов. В этом случае приведение показателей надежности к нормальным условиям работы изделия будет иметь формальный характер и может вызвать грубые ошибки.
Форсирование режимов допустимо лишь в пределах известного закона старения или разрушения материала изделия.
Предельные значения факторов, ускоряющих процесс, должны выбираться, в первую очередь, исходя из условия сохранения физической природы отказа, т. е. чтобы вид и характер разрушения при нормальной эксплуатации и при работе на повышенных режимах были идентичны. Для определения коэффициента ускорения надо знать функциональную зависимость процесса разрушения от данного параметра (скорости, нагрузки).
Например, при испытании изделий, которые выходят из строя в результате износа, для форсирования испытаний можно увеличивать нагрузку р и скорость относительного скольжения v.
Максимально допустимые значения ртах и птах определяются условием сохранения данного вида изнашивания.
При линейной зависимости износа от р и v коэффициент ускорения будет
is _ Pmax^max	/о\
(3)
Обычно испытание при форсированных режимах более эффективно для оценки стойкости материала к тому или иному виду разрушения и при знании закономерностей этого процесса.
Так, широко применяются методы испытания образцов на выносливость (усталость) с использованием известного уравнения, связывающего число циклов до разрушения N с действующим напряжением ог (уравнение кривой Велера):
TVcf™ = const.	(4)
Поэтому испытание при повышенных напряжениях приводит к сокращению числа циклов до разрушения. При известной константе (для контактных напряжений обычно т = 3) возможен пересчет с более тяжелого режима работы ох на облегченный с более высоким значением TV2 > (в пределах ниспадающей ветви кривой усталости — рис. 161, 6).
Существуют различные методы ускоренной оценки пределов выносливости, например метод ступенчатого нагружения (ГОСТ 19533—74).
Различные методы форсирования нагрузок при испытании материалов и изделий часто базируются на принципах линейного накопления повреждений и независимости последующего израсходования ресурсов от предыстории [76].
На этом основан, например, так называемый «метод доламывания», когда вначале к объекту испытания прикладывается экс-
505
плуатационная нагрузка Рн и он работает в течение некоторого времени Тг (рис. 161, в). Затем образец работает при повышенной нагрузке Ртах до тех пор (в течение времени Г2), пока не достигнет предельного состояния (т. е. он «доламывается» на повышенных нагрузках). Поэтому время Т\ задано, а период времени Т2 — случайная величина с математическим ожиданием М (Т2). Суждение о работе до предельного состояния Тн при эксплуатационной нагрузке можно сделать из условия, что при каждом режиме работы используется какая-то доля потенциальной долговечности объекта (образца). Поскольку в результате испытания объект полностью теряет свою работоспособность, можно записать
Т-t । М (^г) ____1	/54
М (Тн) М (Ттах) ’
где М (Ттах) — средняя наработка до отказа образца при действии только повышенной нагрузки Ртак. Из этого равенства определяется значение Тн (его математическое ожидание), поскольку все остальные величины известны из кратковременных испытаний.
В ряде случаев применим метод экстраполяции, если предположить, что имеется функциональная (обычно линейная) зависимость между нагрузкой и временем работы до отказа. Тогда проводят испытания при повышенных нагрузках Pi . .. Pk (рис. 161, д), соединяют наработки на отказ при каждом уровне нагрузок и продолжают линию до пересечения с абсциссой, соответствующей нормальной (эксплуатационной) нагрузке Рц. Считают, что значение Тн соответствует наработке на отказ при эксплуатационных нагрузках. На точность метода значительное влияние оказывает значение максимальной нагрузки Рг = Ртах, диапазон применяемых нагрузок и близость Pk — Pmln к значению Рп. Чем больше точность метода за счет увеличения числа испытаний и приближения Pk к Рн, тем меньше эффект от форсирования.
При испытании сложных изделий форсирование нагрузок и скоростей приводит к неравномерному ужесточению условий работы отдельных элементов и поэтому искажает общую картину потери изделием работоспособности. В этом случае часто ориентируются лишь на отдельные узлы и детали, находящиеся в наиболее напряженных условиях работы и в основном определяющие надежность изделия — так называемые критичные детали. По процессам старения, протекающим в этих деталях, судят о характеристиках надежности изделия.
Если же нельзя выделить такие детали и нужно испытать изделие в целом, то форсирование режимов допустимо обычно лишь в пределах диапазона допускаемых нагрузок, т. е. применяются не средние или типовые режимы, а экстремальные (см. гл. 11, п. 5). Таким образом, здесь понятие «форсирование режимов» носит условный характер и ускорение испытаний будет 506
иметь место лишь по отношению к номинальным (средним) режимам эксплуатации машины.
Находят применение также так называемые эквивалентные испытания сложных изделий, при которых обеспечивается более быстрое исчерпание ресурса и затем производится пересчет на нормальный режим эксплуатации [100].
4.	Ужесточение факторов внешней среды. Ужесточение факторов внешней среды способствует существенному сокращению времени испытания. Так, насыщение абразивом среды, в которой происходит износ трущихся пар, применение более агрессивных, чем при обычных условиях работы, сред при коррозионных испытаниях, наложение вибраций на испытываемое изделие, повышенные радиационные, биологические и другие воздействия существенно интенсифицируют процессы разрушения материалов.
Ужесточение условий при испытании как материалов, так и изделий часто используют для ускорения получения необходимой информации, особенно о стойкости материалов. Например, при испытании материалов на абразивное изнашивание применяют подачу абразивной смеси в зону трения (при сухом трении) или производят погружение образцов в ванну со смазкой, в которой находится во взвешенном состоянии абразив. Это значительно ускоряет износ (кривая /, рис. 161, д). Наибольшее абразивное воздействие на материал происходит при его трении об абразивную шкурку при постоянном изменении зоны контакта (метод испытания на абразивный износ проф. М. М. Хрущова) [217].
При ускоренных испытаниях на абразивное изнашивание не образцов, а отдельных узлов и механизмов часто создают условия для более легкого попадания абразива на поверхность трения. Например, при испытании автомобильных и тракторных двигателей специально загрязняют масло или снимают воздухоочиститель, агрегаты очистки и охлаждения масла. В процессе испытания производят подачу в определенной концентрации пыли в засасываемый воздух и в масло. В результате испытания определяется износ гильз цилиндров, поршневых колец и других сопряжений.
При коррозионных испытаниях металлов в кислотных электролитах процесс ускоряют за счет увеличения концентрации кислоты, снижения перенапряжения водорода, повышения температуры, усиления размешивания.
При выборе электролита учитывается состав коррозионной среды, в которой эксплуатируется изделие. Так, для конструкций, работающих в морской воде, основная составляющая которой — хлористые соли, испытания проводят обычно в растворах хлористого натрия.
Создания условий, при которых процессы, приводящие к потере работоспособности, интенсифицируются, могут еще в большей степени, чем повышение нагрузок и скоростей, исказить физическую картину отказа. Поэтому данным методом ускорения надо пользоваться с большой осторожностью и лишь в тех слу-507
чаях, когда известны закономерности, описывающие влияние отдельных факторов.
Часто испытания, связанные с усилением влияния окружаю* щей среды, используются для сравнительных испытаний на надежность с целью выявления более стойких конструкций и материалов. Однако и здесь надо учитывать, что ряд материалов, расположенных по возрастанию стойкости к тому или иному воздействию, может изменить последовательность их расположения при испытании в нормальных и в ужесточенных условиях. Эго значит, что если одному материалу отдано предпочтение перед другим на основе испытаний в ужесточенных условиях, то результаты эксплуатационных исследований могут опровергнуть этот
вывод.
Таким образом, форсирование режимов и ужесточение условий испытания должно проводиться только на базе тщательного анализа физической природы отказов и разработки на основании этого моделей подобия для возможности пересчета на нормальные
условия эксплуатации.
5.	Повышение точности измерения выходных параметров. Ускорение испытаний может быть получено также за счет повышения точности измерений. Такие методы, как измерение износа с применением радиоактивных изотопов (см. гл. 5, п. 4), измерение точности перемещения движущихся тел с помощью лазерной техники, применение высокочувствительных датчиков различных систем для определения деформации и др., позволяют регистрировать малейшие изменения параметров, характеризующие началь-
ное состояние изделия.
При этом характер изменения выходного параметра выявляется в более короткое время и нет необходимости доводить из: делие до определенного состояния (рис. 161, е). Для изделия может быть назначен условный допуск — предельно допустимое значение выходного параметра Хтах у < Хтах, более строгое, чем по ТУ. Так, при испытании станков на технологическую надежность вместо отказа станка из-за выхода параметра обрабатываемого изделия за пределы допуска фиксируется условный отказ,
т. е. выход параметра за границы условного поля допуска. Коэффициент ускорения в этом случае равен отношению до-
пуска 6 к условному допуску 6У
iz ___ в
- бу ‘
При испытании из-
делие доводится до того момента, когда можно определить скорость потери им работоспособности.
Для оценки надежности в этом случае надо знать закономер-
ность данного процесса и его скорость применительно к процессу старения или к изменению выходного параметра, т. е. необходимо испытания сочетать с прогнозированием хода процесса согласно рассмотренным выше методам (см. гл. 4).
Такое прогнозирование проще осуществить при испытании стойкости материалов, когда рассматривается один процесс по
508
вреждения, например износ. В этом случае оценка скорости изнашивания как случайной величины (т. е. закон распределения у или его числовые характеристики) позволяет получить сопряженное распределение для сроков службы изделия согласно моделям формирования прстепенных отказов (см. гл. 3, п. 2). Закон распределения скорости повреждения (износа) у может быть получен методом физико-статистического моделирования (см. гл. 11, п. 2).
При применении метода ускорения испытаний за счет более точного измерения параметров необходимо учитывать следующее:
для изделия должен кончиться период приработки и наступить стадия стационарного изменения выходного параметра;
предельная погрешность метода измерения А должна быть значительно меньше того условного значения параметра Ху, которое принято за предельное значение, и, как показал анализ, должно выдерживаться условие (Ху : А) > 4;
выходной параметр может иметь большое рассеивание, затрудняющее оценку изменения его среднего значения за период испытания; в этом случае надо применять методы статистической обработки результатов для оценки скорости смещения центра группирования.
Чем сложнее изделие, тем труднее применять методы форсирования испытаний и тем большую роль в оценке надежности играют в сочетании с натурными испытаниями методы прогнозирования и моделирования.
5. Испытание на надежность сложных систем
1. Специфика испытания на надежность сложных систем. Испытание на надежность сложных систем, в том числе машин, является серьезной, еще полностью не разрешенной задачей. Эти системы, как правило, весьма дороги и для испытания можно выделить один-два образца, каждое изделие обладает индивидуальными чертами, условия эксплуатации и выполняемые функции весьма разнообразны. Все это и другие особенности, характерные для сложных изделий (см. гл. 4, п. 1), затрудняют проведение испытаний на надежность. Для них, за редким исключением, трудно получить статистические данные о надежности по результатам натурных стендовых, а в ряде случаев и эксплуатационных испытаний.
Даже контрольные испытания, предназначенные только для1 определения соответствия выходных параметров сложных машин и систем требованиям ТУ, включая проверку правильности функционирования всех механизмов и определение эффективности системы, при которых не оценивается изменение начальных характеристик машины во времени, представляют трудную задачу.
Широкий диапазон условий, в которых может работать сложная система или машина и разнообразие выполняемых функций, приводят к необходимости и для новой машины применять вероят-
509
ностные характеристики для оценки ее работоспособности. Для этого применяют разнообразные методические подходы, один из которых заключается в выборе комплексного показателя эффективности, характеризующего работоспособность всей системы. Но испытания сложных систем на надежность не должны ограничиваться оценкой работоспособности новой машины, а должны определить показатели, которые характеризуют изменение параметров машины в процессе эксплуатации, и дать вероятностный анализ этих явлений. Фактор времени, особенности сложных систем и отсутствие статистических данных, позволяющих сделать выводы о поведении всей генеральной совокупности изделий при эксплуатации, заставляет искать иные пути оценки их надежности.
Основные принципы, которые должны быть положены в основу методик испытания на надежность сложных систем при ограниченном числе объектов испытания, следующие:
испытание должно сочетаться с прогнозированием и расчетом надежности;
должна быть использована разнообразная информация как из сферы эксплуатации и ремонта, так и результаты испытания на надежность отдельных элементов и материалов;
испытание на надежность может явиться базой для осуществления моделирования поведения сложной системы в условиях эксплуатации;
для сложных систем допустимо исследование не всей области состояний (существования параметров), а ее границ, которые определяют степень удаления изделия от предельного состояния;
в ряде случаев возможно получение лишь некоторых показателей надежности или сравнительных оценок.
При испытании надежности сложных систем должны оцениваться вероятность возникновения параметрических отказов или запас надежности по каждому из выходных параметров и выявляться недопустимые отказы, как следствие ошибок расчета и конструирования изделия или недостаточной надежности технологического процесса его изготовления. Как правило, испытанию сложного изделия предшествуют, а часто проводятся и одновременно испытания отдельных его узлов и агрегатов. При этом стремятся больший объем испытаний отнести к стендовым испытаниям элементов сложного изделия, чтобы при испытании машины в целом не рассматривались те отказы, которые можно выявить и избежать при более простых и дешевых испытаниях. При работе сложных систем начинают влиять новые факторы, связанные с взаимодействием отдельных узлов и элементов, которые и должны служить предметом выявления в процессе испытания на надежность.
2. Анализ потока отказов сложных систем. В процессе испытания сложных'систем для оценки их выходных параметров и проверки правильности функционирования, а также при эксплуатационной апробации опытных образцов, как правило, возникают 510
Рис. 162. Закон распределения отказов автоматической линии для обработки ступенчатых валов
разнообразные отказы, которые проявляются как случайные события и образуют поток отказов (см. гл. 3, п. 3). Оценка параметра этого потока и статистическая обработка полученных данных дают определенную информацию
о надежности изделия и во многих
случаях рассматриваются как основное испытание на надеж-
ность сложной системы. Параметр потока отказов обычно подчиняется классической кривой (см. рис. 44, г), когда в первый период работы имеют место так называемые приработочные отказы, а затем значение параметра потока отказов стабилизируется. В этом случае закон распределения отказов — экспоненциальный, а для характеристики надежности определяется средний срок службы или наработка на отказ.
На рис. 162 показана типичная кривая распределения наработок до отказа при производственном испытании автоматической линии для механической обработки ступенчатых валов [31}. Как видно из графика, частота отказов весьма высока и вероятность безотказной работы линии в течение t — 1 ч Р (/) —> 0. Сюда включены все виды отказов, как, например, износ режущего
инструмента, застревание заготовки в транспортном лотке, несрабатывание механизма загрузки из-за попадания стружки, отказы системы управления и др., в основном связанные с нарушением правильности функционирования линии и требующие малых затрат времени на восстановление ее работоспособности. Аналогичные данные о потоке отказов получают при испытании таких сложных изделий как двигатели, транспортные машины (автомобили, самолеты), технологические комплексы различных отраслей промышленности. Для анализа отказов их обычно разбивают на категории по системам или узлам машины или по последствиям, к которым приводит отказ (см.-гл. 1, п. 4).
Такие испытания дают информацию об отказах сложной системы за сравнительно короткий промежуток времени и их часто отождествляют с испытанием на надежность. Чтобы ответить, насколько правомочно такое утверждение, необходимо проанализировать характер отказов, возникающих в сравнительно короткие промежутки времени, и определить их удельный вес в общем балансе надежности изделия.
Отказы, для которых наработка (срок службы) значительно ниже ресурса изделия, могут относиться к следующим категориям:
511
1)	недопустимые отказы, которые возникли в результате конструктивных ошибок, непредвиденных условий эксплуатации или ненадежности технологического процесса изготовления и сборки данного изделия (например, поломки и заклинивание механизмов, повышенное трение из-за неподачи смазки);
2)	отказы, которые возникли в результате взаимодействия элементов сложной системы, когда отдельные связи не были выявлены при испытании или расчете отдельных узлов и механизмов системы (например, влияние тепла, выделяющегося при работе гидроагрегата, на точность работы механизма загрузки или фиксации);
3)	отказы, последствия которых легко устранимы, и восстановление работоспособности может быть осуществлено в процессе эксплуатации изделия (например, смена режущего инструмента);
4)	отказы, которые не должны иметь место при работе изделия до очередного ремонта или в течение установленного ресурса, но возникновение которых допускается регламентированным значением вероятности безотказной работы (см. табл. 3).
Отказы первой и второй категорий характерны для периода освоения новой продукции, они носят временный характер и должны быть сведены к минимуму или ликвидированы вообще. Их отсутствие является показателем совершенства этапов проектирования и производства изделия.
Отказы третьей категории допустимы по условиям эксплуатации и не определяют надежности всего изделия или сложной системы. Отказы четвертой категории составляют малую долю среди всех видов отказов, поскольку требования к безотказности работы современных систем, как правило, достаточно высоки. Если же их уровень превосходит регламентированное значение, то они должны быть отнесены к первой категории. Таким образом, основное число отказов связано с несовершенством изделия с позиций надежности и отражает период его освоения. Наличие этих отказов является сигналом для проведения мероприятий по их ликвидации. Основные же причины потери изделием работоспособности из-за медленно протекающих процессов старения остались при таких испытаниях невыясненными, а показатели надежности неизвестными. Поэтому испытания по оценке параметра потока отказов, являются необходимым, но далеко не достаточным этапом по определению показателей надежности сложных систем. Главная проблема по испытанию на надежность сложных систем — оценка изменения их выходных параметров за период длительной эксплуатации.
3.	Определение запаса надежности по выходным параметрам изделия. Изменение выходных параметров сложного изделия при его работе или испытании является длительным процессом, однако определенная информация о надежности может быть получена уже на стадии контрольных испытаний.
При этих испытаниях можно определить запас надежности по каждому из выходных параметров, который хотя и не оценивает 512
время израсходования данного запаса, но позволяет судить о степени удаленности изделия от предельного состояния. Коэффициент запаса надежности, как отношение допуска на выходной параметр к области его существования, зависит от индивидуальных особенностей (характеристики) данного изделия, от режимов и условий его эксплуатации. Поэтому при испытании необходимо установить условия, при которых будет определяться запас надежности. Он может быть определен по отношению к средним (типовым) или 'к экстремальным режимам и условиям работы. В последнем случае наличие запаса надежности гарантирует определенный период (пока неизвестный) безотказной работы машины в любых условиях эксплуатации, предусмотренных ее назначением. Например, в разработанной автором методике испытания оборудования на технологическую надежность предусматривается установление силовых и скоростных экстремальных режимов, при которых основное влияние на точностные параметры станка оказывают либо нагрузки, которые деформируют упругую систему, либо явления, связанные с вибрацией при больших скоростях. В ряде случаев выявляется также критический режим, при котором возможно сочетание скоростных, силовых и других факторов, обусловливающих для данной машины наибольшее рассеивание или экстремальные значения выходных параметров.
Определение запаса надежности для каждого экземпляра сложной системы может сочетаться с ее контрольными испытаниями. Однако, если испытанию подвергаются один или небольшое число экземпляров машины из серии, то полученные значения запасов надежности будут характеризовать лишь эти экземпляры. Суждение о запасе надежности у всей генеральной совокупности изделий можно иметь или на основании расчета возможных отклонений начальных параметров или при проведении специальных испытаний для имеющихся объектов (см. ниже). Определение в результате испытания машины запаса надежности по выходным параметрам, так же как и анализ потока отказов в первый период ее работы еще не дает возможности оценить ресурс, вероятность безотказной работы и другие основные показатели надежности. Эти испытания не характеризуют надежности отдельных узлов и систем машины в течение длительного периода эксплуатации. Они являются как бы первым предварительным этапом испытания их надежности и, как правило, базируются на обязательных для каждого готового изделия контрольных испытаниях.
При испытаниях на надежность сложных систем применяется разнообразная аппаратура для создания необходимых нагрузок и условий испытания (вибростенды, нагрузочные устройства, барокамеры, нагревательные устройства и т. п.), для контроля и измерения параметров (различные датчики и регистрирующая аппаратура), управляющие устройства для осуществления не-
17 Проииков А. С.
обходимых режимов, включая программные системы для заданного или случайного выбора сочетаний нагрузочных факторов. Характеристики приборов и их номенклатура зависят от объекта испытаний и требований к нему и обычно- не отличаются при применении для контрольных испытаний и для указанных предварительных испытаний на надежность.
При испытании на надежность с учетом длительного периода работы изделия помимо вышеуказанной аппаратуры необходимы средства для регистрации процессов повреждения, происходящих в машине (измерение износа сопряжений, деформаций и коробления элементов конструкции, наростообразования и т. п.), и процессов изменения значений выходных параметров, приборы для контроля временных характеристик (длительности работы изделия, рабочих циклов, холостых ходов, перерывов в работе), а также устройства для обработки информации. Однако главная трудность заключается не в создании необходимых условий для испытания и регистрации параметров, а в факторе времени. Реальная ситуация при испытании сложных изделий заключается в том, что нет ни достаточного времени, ни достаточного числа изделий для получения таких исходных статистических данных, которые позволили бы с необходимой достоверностью определить показатели надежности.
4.	Испытания на надежность с применением методов прогнозирования и моделирования. Пусть необходимо испытать на надежность сложную машину, работоспособность которой определяется выходными параметрами. Эти параметры изменяются при эксплуатации машины под влиянием процессов старения и разрушения (см. рис. 62). Для каждого из параметров техническими условиями установлено предельное состояние, достижение которого означает отказ машины.
Законы распределения сроков службы (наработки) до отказа f (t) для каждого из параметров являются объективно существующей, но неизвестной функцией, нахождение которой позволяет определить любые показатели надежности. Однако традиционные методы определения f (/), пригодные для простых и сравнительно недолговечных изделий, здесь неприменимы.
Действительно, для определения одной реализации для одного параметра необходимо проводить испытание в течение времени /н1, которое находится в пределах возможного размаха сроков службы Т01 < /И1 < Тп1 (рис. 163). Это значение ?и1> как правило, значительно больше ресурса изделия Tv, так как вероятность отказа F (/) при t < Tv весьма мала. После получения одной реализации, т. е. данного значения /и1, машина требует восстановления работоспособности (ремонта), так как после возникновения отказа она уже не удовлетворяет требованиям ТУ. Поэтому получение статистического ряда значений как при последовательном испытании одной или нескольких машин, так и при одновременном испытании их большого числа, невозможно 514
из-за длительности испытаний и больших затрат на их проведение. Выход сводится к сочетанию испытания с прогнозированием, причем в основу кладется определенная модель отказа (см. гл. 3). Так, при наличии параметрического отказа можно за более короткий промежуток времени, чем время, необходимое для достижения отказа, определить скорость процесса изменения параметра ух и по ней прогнозировать время (наработку) до отказа.
Длительность испытания при этом зависит от характера протекания процесса изменения выходного параметра X (/) и от чувствительности (точности) тех методов, при помощи которых производится измерение.
Так, если АХ — зона нечувствительности (рис. 163), т. е. та область, в которой фиксируемое изменение параметра X может быть связано как с действительным его изменением, так и с соизмеримыми отклонениями в точности приборов, то информацию о скорости ух можно получить после работы в течение времени /и2, где Т02 < /и2 < Тп2. Это время значительно меньше длительности испытания до отказа /и2 С
Чем точнее примененный метод измерения, тем быстрее можно оценить скорость процесса == —. Для прогнозирования /и1 по значению /и2 необходимо знать закон изменения параметра (см. гл. 3, п. 1). Так, при линейном законе изменения параметра
j __/ Хтах — х0
*и1 — *и2-------•	к°/
При таком методе возможно накопление статистических данных, получение ряда значений /и2, .... (/и2К> прогнозирование по нему ряда ?и1, ...» (Ли)*: и оценка закона распределения f (t).
Как было показано в гл. 8, п. 2, в ряде случаев при износе сопряжений машины возможен расчет скорости изменения выход-
17*	515
ного параметра по скорости изнашивания отдельных сопряжений. В этом случае определение при испытании скорости изменения параметра Ух должно служить проверкой правильности проведенных расчетов и примененной зависимости = f (T1Y2 где — скорость изнашивания отдельных сопряжений. При этом проверяется не только скорость изменения выходного параметра, но и скорость изнашивания отдельных сопряжений.
Конечно, любая модель для прогнозирования хода процесса изменения параметра должна быть обоснована, а в ряде случаев и экспериментально апробирована (например, на одной-двух реализациях, которые доведены до значений X =* Хшах). Необходимо выяснить также, влияет ли износ на скорость протекания (имеется ли обратная связь), каков период приработки, с какими факторами связано рассеивание значений и ряд ДРУ-гих вопросов. Многие из них выявляются только в процессе испытания, однако получение даже ориентировочной информации о надежности на ранних стадиях испытания имеет огромное значение при создании новых машин. По мере продолжения испытаний эта информация, а также принятые вначале методы испытания и прогнозирования должны все время уточняться и корректироваться. Полученные результаты должны подтвердить правильность методики, принятой при испытании и прогнозировании.
При прогнозировании следует заранее определить, для какой области состояний и для какой модели осуществляется прогноз — для всей генеральной совокупности машин и различных условий эксплуатации или для конкретных условий (см. гл. 4, п. 4). Если необходимо учитывать вариацию условий и режимов эксплуатации, то надо знать их характеристики (законы распределений) при назначении условий испытаний, например по методу, изложенному в гл. 11, п. 2.
При выборе метода испытаний на надежность, как правило, конкурируют две возможности получения быстрейшей информации — за счет ускоренных испытаний или за счет дополнения обычных испытаний прогнозированием. При испытании сложных изделий на параметрическую надежность во многих случаях бблъ-шее искажение результатов будет из-за форсирования режимов и условий работы машины, чем за счет прогнозирования хода процесса.
При большой трудоемкости испытаний информацию о потере работоспособности, полученную уже на первой стадии испытаний, следует использовать для построения формализованной модели отказа сложного изделия. На этой основе можно осуществить моделирование, например, с применением метода статистических испытаний (см. гл. 4, п. 4). Моделирование позволяет с помощью ЭВМ получить оценку надежности за сравнительно короткий срок с учетом разнообразных режимов и условий работы изделия.
Моделирование сложных систем представляет собой самостоятельную область [21 ], имеющую большую перспективу для оценки 616
надежности машин и комплексов. Модель должна отражать реальные физические процессы, происходящие в изделии при его эксплуатации, имитировать их развитие. Для построения модели необходимо иметь априорную информацию по испытаниям или исследованиям свойств объекта или его частей с последующим уточнением ее вида и самих результатов моделирования. При моделировании применяются математические, физические, комбинированные и другие модели. Математическая модель устанавливает зависимость между входом системы (режимы, условия эксплуатации, внешние воздействия) и ее выходом (параметры, характеризующие работоспособность системы).
В этом случае физическая модель исключается из сферы исследования и служит лишь источником информации для определения параметров модели и уточнения ее вида, а само моделирование осуществляется на ЭВМ. Например, при исследовании ЖРД одним из основных его параметров является удельная тяга двигателя X, связь которой с входными параметрами выражается уравнением регрессии вида [123]:
X=S&iZz+2&i/ZiZ/ + e,	(7)
1=1	«/
где be, bl} — коэффициенты регрессии, Zr, . . ., Zn — варьируемые входные параметры, е — средняя ошибка аппроксимации.
Варьируемыми факторами являются давления на входах в двигатель по линиям горючего и окислителя, температуры компонентов топлива, давление в камере сгорания и др. Искомые коэффициенты определяются из натурных испытаний с применением методов факторного планирования [219], а затем осуществляется моделирование на ЭВМ. Такой метод позволил оценить область работоспособности и состояния при различных режимах работы изделия и определить запас надежности по данному параметру.
Для моделирования параметрической надежности необходимо установить зависимость, аналогичную (7), но описывающую скорость изменения выходного параметра в функции процессов старения, т. е. оценить изменение входных параметров во времени Zz (0. Эта задача отличается большой сложностью и может быть решена, опираясь на закономерности процессов повреждения и их влияния на выходные параметры изделия (см. гл. 8, пп. 2 и 4).
5.	Испытания по методу экстремального уровня. Определение закона рассеивания времени достижения выходным параметром предельного состояния f (/), который является полной характеристикой надежности изделия (по данному параметру), даже при применении методов прогнозирования и моделирования, сопряжено с весьма трудоемкими испытаниями, которые часто вообще невозможно осуществить в желаемом объеме.
517
Рис. 164. Выявление экстремальных реализаций при испытании машины
Однако во многих случаях, особенно, когда объектом служит изделие с высокими требованиями к его надежности, нет необходимости выявлять всю область существования параметров и ее изменение во времени. Необходимо в первую очередь оценить те экстремальные условия эксплуатации, а также состояния машины, при которых имеется наибольшая вероятность достижения выходными параметрами предельных значений.
Обычно взятая для испытания машина представляет собой случайную выборку в возможной совокупности изделий данного типа.
Полученные в результате испытания данные характеризуют одну из реализаций, находящуюся в некоторой неизвестной пока области состояний машины; по этой реализации нельзя судить о всей генеральной совокупности. Поэтому надо выявить не произвольную, а вполне определенную реализацию, которая позволила бы оценить пределы области состояний машины.
Такой реализацией будет изменение выходных параметров машины при экстремальных , условиях работы (рис. 164). Она будет определять границу области состояний и определять запас надежности и его изменение в процессе эксплуатации. Испытание по выявлению границы области состояний назовем испытанием, по экстремальному уровню.
Обычной ошибкой при испытании машины является такая ее подготовка, когда исследуемый объект имеет не только среднее, но лучшее состояние и значения начальных параметров, чем большая часть объектов, выполненных на заводе в соответствии с ТУ. Надо поступать наоборот — подготовить к испытанию машину, которая имела бы крайние (наихудшие) начальные параметры, но находящиеся в пределах ТУ.
518
Испытание по экстремальному уровню должно вестись при находящихся в допустимых пределах, но таких сочетаниях режимов и условий работы машины, когда возникает наибольшая скорость изменения выходного параметра. Поэтому, с одной стороны, не будет форсирования нагрузок, с другой — создаются условия для потери работоспособности в наиболее короткое время.
Таким образом, для выбранного объекта испытания (можно иметь всего один или два объекта) устанавливаются экстремальные условия испытания по следующим факторам:
а)	по режимам работы (скорости, нагрузки, температуры) — выбираются максимальные из допустимых по условиям эксплуатации машины или наиболее тяжелые области (например, область возможных резонансных явлений) или их сочетание;
б)	по условиям работы — осуществляется загрязнение масла или поверхностей трения, наложение вибраций, температурные воздействия и другие наибольшие для допустимых или существующих в эксплуатации значений;
в)	по начальному состоянию машины — точность монтажа, размеры и форма элементов, зазоры в сопряжениях, жесткость узлов и другие параметры выполняются по крайним значениям (или с вероятностной оценкой экстремальных величин) в пределах допуска.
Первый этап испытания машины заключается в определении запаса надежности по выбранным выходным параметрам. Если этот запас незначителен (близок к единице), то необходимо изменить ТУ на начальные характеристики объекта в сторону их ужесточения.
Дальнейшее испытание должно выявить процесс изменения выходных параметров. При установившемся процессе, особенно при линейном изменении параметров во времени, возможно прогнозирование процесса потери работоспособности, что значительно сократит период испытания.
Полученный при данном испытании ресурс будет минимальным, рассчитанным на наиболее тяжелые условия работы машины. Оценка среднего ресурса может быть проведена расчетом и при некоторых дополнительных исследованиях. Однако главный показатель, который дает гарантию успешной эксплуатации машины в любых условиях — это минимально допустимый ресурс, полученный при испытании по методу экстремального уровня.
Для прогнозирования среднего ресурса необходимо оценить рассеивание выходных параметров в начальный период работы машины и определить математическое ожидание параметра Хо (см. рис. 164). Для этого следует провести испытание машины во всем диапазоне применяемых режимов и условий. Данное испытание не является, как правило, продолжительным, так как относится к начальному периоду работы машины и не ставит своей целью оценку изменения выходных параметров в результате медленно протекающих процессов (износа). При испытании по экстре- t мальному уровню возможно выявление не одной крайней реали-1
519
зации, а зоны экстремальных реализаций. Как было показано ранее (см. гл. 4, п. 4), закон рассеивания параметров изделия f (X) является результатом рассеивания входных параметров (нагрузок, скоростей и т. п.) f (р); f (v) и т. д., которые подчиняются своим законам распределения. Закон можно получить при испытании изделия, если режимы для данной серии из п испытаний назначаются в соответствии с законами f (р), f (и) и т. д., например, методом случайных выборок.
Однако при испытании по методу экстремального уровня нет необходимости в выявлении всего закона f (X), а достаточно знать ту его часть, которая находится в пределах допустимой вероятности отказа F (X) = F (/) (рис. 164), так как для оценки безотказней работы изделия необходима именно эта часть кривой f (t).
Поэтому при известных законах распределения входных параметров при проведении серии испытаний производится выборка лишь из соответствующих зон экстремальных режимов. Полученные в результате испытания реализации относятся к тому участку закона- f (/), который определяет возможность отказа изделия.
Таким образом, сокращение длительности испытаний достигается здесь за счет направленного выбора лишь тех условий испытания, которые определяют формирование необходимой для оценки надежности зоны закона распределения.
Последовательность этапов формирования закона распределения может быть представлена схемой
/(/>)
/(«)

/(6)
На рис. 164 показано, что при данном методе испытаний вместо выявления всей зоны состояний 1 анализируется лишь ее экстремальная область 2, которая определяет запас надежности А => х \
*== ^тах — *9к (или коэффициент запаса надежности Кн = v™?x 1.
Лэк /
Реализации 3 получены лишь для экстремальных условий, которые определяются из анализа законов ') (р), / (и) и т. д. Длительность испытания (для получения реализации) ограничивается либо значением Ти при возможности последующего прогнозирования хода процесса (реализации 4), либо значением Тп — при полных испытаниях, т. е. при доведении до отказа (когда X = = Хтах) при каждом цикле испытания. Следует напомнить, что при обычных испытаниях при каждом цикле должна выявляться произвольная реализация 5, и доведение изделия до отказа потребовало бы значительного времени Т ТП > Ти.
Изыскание методов, обеспечивающих скорейшее получение информации о показателях надежности, является основной задачей при разработке плана и средств испытания изделий на надежность.
620
ГЛАВА 12
ЭКСПЛУАТАЦИЯ МАШИН
1.	Эксплуатация и надежность машин
1.	Периоды эксплуатации машин. Эксплуатация машины — сложный процесс, который состоит из различных периодов, во время которых работоспособность машины либо уменьшается, либо восстанавливается.
, Под эксплуатацией машины будем понимать весь срок ее существования от выпуска заводом-изготовителем до снятия с эксплуатации, который может состоять из отдельных периодов (табл. 30).
Для различных машин в зависимости от их назначения характерны определенные сочетания перечисленных периодов и различная их длительность.
Например, для технологического оборудования консервация и транспортировка характерны лишь в начальный период эксплуатации. Основными при эксплуатации будут периоды работы
Таблица 30
Периоды эксплуатации машины
Период эксплуатации	Работоспособность машины
1. Простои машины Консервация и хранение Транспортировка Проверка работоспособности (диагностика) или наладка (подготовка к работе) Простои (ожидание работы или ремонта)	Как правило, изменяется незначительно
11. Работа машины Работа при нормальных режимах и условиях эксплуатации Работа при повышенных режимах Работа при пониженных режимах Работа при проверках и испытаниях	Снижается
III. Ремонт машины Плановые периодические ремонты Техническое обслуживание Аварийные ремонты	Восстанавливается
521
и периодических простоев в ремонте, а также простои при неполном использовании машины. Для боевой техники, например ракет, наоборот, характерны длительные периоды хранения и периодических проверок и кратковременный период использования.
От структуры процесса эксплуатации, т. е. от чередования и длительности отдельных периодов во многом зависит и выбор показателей надежности, которые отражают требования как к безотказности изделия в период его работы, так и возможность длительного поддержания работоспособности изделия. Классификация машин по цикличности их работы приведена в табл. 31.
Характер эксплуатации определяет выбор системы ремонта, которая должна так установить структуру ремонтного цикла и содержание отдельных видов ремонта, чтобы при наименьших затратах времени и средств, т. е. при минимальных относительных ремонтных потерях z, обеспечить поддержание машины в работоспособном состоянии (см. гл. 12, п. 2).
Кроме того, характер работы машины во времени определяет период, в течение которого следует оценивать ее безотказность. Так, например, для автомобиля —это время пробега между плановыми техническими обслуживаниями, для самолета — длительность полета, для металлорежущих станков — время между плановыми ремонтами, для сельскохозяйственных машин — без-
Таблица 31
Классификация машин по цикличности их работы
Группа	Характер работы машины во времени	Во время работы возможен		Период оценки безогказноста	Примеры машин
		ремонт 1	О		
1	Непрерывная работа за все время эксплуатации	—	+	Весь период эксплуатации	Турбины ГЭС, управляемые космические аппараты, спутники
2	Периодическая или непрерывная работа с допустимыми остановками	+	+	Межремонтный период	Технологические машины (станки, текстильные, полиграфические, бытовые машины)
3	Сезонная работа	—	+	Длительность сезона	Сельскохозяйственные машины; речной
4	Работа порциями (периодами)	—	(+)	Требуемая длительность работы	транспорт Транспортные машины (автомобили, самолеты, локомотивы) Военная техника (ракеты, орудия)
5	Кратковременная работа			Период хранения, период работы	
522
отказная работа в течение сезона. Для систем с кратковременным периодом работы кроме вероятности безотказной работы при функционировании следует также рассматривать потенциальную работоспособность в период хранения (она может оцениваться, например, коэффициентом готовности —см. гл. 1, п. 2).
Для машин, непрерывно работающих в течение всего периода эксплуатации, остановка для ремонта невозможна, а техническое обслуживание либо допустимо (турбины ГЭС), либо -также невозможно (спутники). В этом случае допустимое значение Р (/)—> 1 и характеристикой надежности будет запас надежности при расчете на заданную длительность эксплуатации или фактический срок службы, если изделие эксплуатируется до отказа.
На фактические показатели надежности существенное влияние оказывают условия и методы эксплуатации машины, применяе-мая система ремонта и технического обслуживания, квалификация персонала.
2.	Спектры эксплуатационных нагрузок. Показатели надежности зависят от тех условий, в которых эксплуатируется машина, и от режимов ее работы.
Рассеивание нагрузок, скоростей, температур, влажности, запыленности и других показателей среды, в которых работает машина, является основной причиной случайного характера процесса изменения выходных параметров изделия.
Окружающая среда оказывает существенное влияние на работу тех машин, которые функционируют вне заводских помещений и имеют непосредственный контакт с атмосферой или иной средой. Особенно широк диапазон внешних условий для транспортных машин, функционирующих в различных климатических зонах.
Так, известно, что даже в равнинных условиях центральной европейской части нашей страны атмосферное давление на земле изменяется в диапазоне от 720 до 790 мм рт. ст., а в высокогорных условиях Средней Азии может доходить до 400—450 мм рт. ст. Температура воздуха на земле имеет диапазон изменения 0 = = 220-^-320 К. Скорость ветра на земле доходит до 20—30 м/с и более, причем возможны различные направления по отношению к изделию.
Машины, эксплуатация которых происходит в стационарных заводских условиях, тем не менее часто воспринимают разнообразные нагрузки, имеют непостоянные циклы работы, испытывают воздействие от соседних машин и агрегатов. Поэтому выявление спектра эксплуатационных нагрузок, действующих на машину и ее элементы, и их вероятностные характеристики являются необходимым условием для анализа и прогнозирования надежности (см. гл. 4, п. 4).
В последние годы проведены многочисленные исследования по выявлению характера нагрузок и условий эксплуатации различных типов машин [14, 46, 70]. Эти данные отражают не только структуру машины, но в первую очередь те внешние воздействия, 523
восприятие которых она должна испытывать. Полученные спектры эксплуатационных нагрузок можно, как правило, использовать и при расчете новых машин и для оценки их надежности на стадии проектирования.
Спектры эксплуатационных нагрузок для различных машин и их элементов представляются обычно в виде кривых плотности вероятности для соответствующего фактора (см. примеры на рис. 30, в и г), Например, исследование распределения мощности на шпинделе токарных станков показывает большую неравномерность в загрузке станков и малое использование максимально допустимых нагрузок. Аналогичная картина, по данным ЭНИМС [52 ], наблюдается и при анализе распределения частоты вращения шпинделя универсальных станков. Эти зависимости могут быть во многих случаях описаны законом Релея, логарифмически-нормальным или другим асимметричным законом распределения. В ряде случаев рассеивание действующих факторов подчиняется нормальному закону распределения, например, распределение крутящих моментов на полуоси заднего моста самоходного комбайна [98] и распределение напряжений в рамах железнодорожных вагонных тележек [34].
Для оценки нагрузок, действующих на машину, обычно учитывается взаимодействие внешних факторов с динамической системой машины, которая, воспринимая их, может усиливать или ослаблять внешние воздействия. Так, для механических нагрузок на машину характерно наличие резонансных зон с повышенными значениями амплитуд и соответственно напряжений при колебательных процессах упругой системы. Для выявления этих зон используют метод анализа спектральной плотности. В качестве примера можно привести результаты исследований, проведенных канд. техн, наук Л. М. Аксеновым по оценке процессов нагружения деталей рулевого управления грузового автомобиля при различных режимах и условиях эксплуатации. При этом процесс характеризовался не только математическим ожиданием и дисперсией, но и функцией спектральной плотности G (/) [202].
На рис. 165 приведена нормированная спектральная плотность процесса нагружения рычага трапеции автомобиля ЗИЛ-130 при движении по булыжному шоссе с различными скоростями. Данный анализ показывает, что имеется несколько экстремальных зон, соответствующих собственным частотам колебаний подрессоренных и неподрессоренных масс (соответственно частоты h и /2) и собственной частоте колебаний колес вокруг шкворней (частота /3).
В условиях движения автомобиля с постоянной скоростью по прямолинейному участку процесс нагружения относится к категории стационарных случайных процессов. При обычных переменных режимах работы дисперсия процесса нагружения о2 связана со скоростью v степенной зависимостью типа о2 = а' + 4- бит, т. е. процесс становится нестационарным.
524
Рис. 165. Нормированная спектральная плотность процесса нагружения рычага трапеции автомобиля ЗИЛ-130
Для многих типов машин, режим эксплуатации которых состоит из различных периодов, разрабатывается типовой график работы машины, отражающий средние (или экстремальные) воздействия на машину (типовой полет самолета, испытание станка при обработке типовой детали
и т. д.). Эти данные в сочетании с вероятностной характеристикой
внешних воздействий на машину являются исходными для оценки
и прогнозирования ее надежности в различных условиях эксплуатации (см. гл. 4, п. 4).
Следует иметь в виду, что потенциальные возможности машины по достижению наибольших скоростей, нагрузок, мощностей и т. п. могут при определенном их сочетании привести к недопустимым режимам их работы. Например, мощные реактивные двигатели, установленные на современных самолетах, могут обеспечить более высокие скорости полета, чем это допускается надежностью самолета. Если рассмотреть два параметра режима полета — скорость v и высоту Н, то максимальные значения этих параметров ограничены скоростным напором q на крыло самолета, перегрузками п при полете в неспокойном воздухе, изменением температуры 0 материала обшивки. Если учесть также максимальные скорости vmfaCt которые может обеспечить двигатель на различных высотах, то можно рассчитать область допустимых режимов для полета самолета (рис. 166, а).
Другим примером выявления областей допустимых режимов работы изделия может служить анализ работы прецизионных поступательных пар трения (столов, суппортов, ползунов), работающих при малых скоростях. Возникающие в паре силы трения могут привести к возникновению релаксационных колебаний, при которых работа механизма будет неустойчивой. При данных характеристиках фрикционного контакта на переход в область неустойчивого трения основное влияние оказывают жесткость привода С и скорость движения v (рис. 166, б). Их предельные значения Спр и упр определяют запас устойчивости Ку > 1 по каждому из этих параметров и для выбранных режимов
**пр Опр работы механизма [99 ].
Предельные значения Спр и ипр, в свою очередь, зависят от характеристик сил трения и в первую очередь от разницы ста-
525 д
Рис. 166. Область предельно допустимых режимов:
а — полета самолетов; б » прецизионной поступательной пары при медлен» ных перемещениях
тического и динамического коэффициентов трения и зависимости, связывающей статическую силу трения с продолжительностью контакта.
В задачу определения спектра эксплуатационных нагрузок входит также оценка условий, в которых протекает работа машины и которые оказывают существенное влияние на интенсивность процессов старения.
Часто в ТУ на эксплуатацию оговариваются категории возможных условий работы машины и вводятся относительные коэффициенты, характеризующие интенсивность воздействия каждой категории условий на ее работоспособность. Например, для морских судов для характеристики условий плавания все географические зоны делятся на четыре района, для землеройных машин учитываются категории грунта, для металлорежущих станков рассматриваются легкие, средние или тяжелые условия эксплуатации в зависимости от обрабатываемых материалов и т. п.
Особой категорией воздействия на машину, в сильной степени определяющей ее надежность, является влияние человека, который управляет машиной, определяет режимы ее работы, восстанавливает ее работоспособность, используя для этой цели свои возможности и знания.
3.	Надежность систем «человек-машина» и «коллектив-комплекс машину При эксплуатации сложных машин и комплексов человек и машина становятся объединенными в единую систему. Работоспособность и надежность этой системы в сильной степени зависят от показателей качеств человека и от приспособленности машины к взаимодействию с человеком.
Качества человека характеризуются в первую очередь его квалификацией — обученностью управлять данной машиной , и исполнительностью — профессиональной ответственностью за выполнение порученного задания.
526
Конструкция машины, в свою очередь, должна учитывать физиологические и психологические возможности человека —• возможность нести определенные нагрузки и перегрузки, воспринимать и передавать требуемую информацию, находиться в данной ситуации или условиях в необходимое время и т. п.
Эти задачи решаются на базе эргономики — науки, занимающейся исследованием «человеческого фактора» в производственной деятельности человека — оператора, ремонтника, эксплуатационника, потребителя. Она изучает функциональные возможности и особенности человека в трудовых процессах, способствуя созданию таких условий, методов и организации труда, которые делают его высокопроизводительным и вместе с тем создают удобства и безопасность в работе. Последнее особенно важно при эксплуатации машин, отказ которых может привести к катастрофическим последствиям [33]. Решение этих задач предполагает приспособление техники к человеку, к условиям труда. Человеческий фактор в современном производстве является одним из важнейших, от которого зависит эффективность и надежность использования техники. Как показывает анализ аварий, нарушений технологических процессов, ошибок управления в сложных технических системах, они вызваны часто тем, что в конструкциях машин и приборов недостаточно учтены особенности и возможности человека.
Эргономические свойства человека представляют комплекс антропометрических, физиологических и психологических его свойств (ГОСТ 16035—70). Изделия, в свою очередь, должны учитывать эти свойства человека, способствовать максимальному использованию его возможностей.
Так, антропометрические свойства человека определяют типичные размеры и форму человеческого тела и его отдельных частей, что, в свою очередь, определяет размеры машины, расположение отдельных частей и механизмов и в первую очередь механизмов управления.
Машина должна также учитывать такие физиологические свойства человека, как возможность воспринимать или создавать определенные нагрузки, его утомляемость, наличие определенных биоритмов, быстроту действий, возможности по восприятию ускорений и т. п. Имеются попытки численно оценить воздействие эксплуатационных нагрузок на человека. Например, в работе [8] получена приближенная формула для определения сигнала интенсивности ощущения человека q	при равноускоренном
вращении:
9 = (1)
где е — угловое ускорение, 1/с2; п — параметр, зависящий от индивидуальных особенностей человека (п = 0,2-е-0,5 1/с);	»
время, с.
527
Эта зависимость связывает угловое ускорение со временем начала ощущений при известном пороговом значении интенсивности сигнала qn.
Большое влияние, особенно на выбор систем управления машиной, оказывают психофизиологические свойства человека, связанные с его органами чувств: слухом, зрением и осязанием. Современные машины должны быть сконструированы так, чтобы сигналы, поступающие к человеку от машины, необходимые для управления, в наибольшей степени отвечали его возможностям.
При необходимости быстрой реакции человека на определенные сигналы следует учитывать, что в зависимости от раздражителя она колеблется в следующих пределах (в миллисекундах): зрительный сигнал 150—225, слуховой— 120—-182, температурный — 150—240 и болевой — 400—1000.
Из этих данных видно, что слух воспринимает сигнал быстрее всего, и в ряде случаев можно разгрузить оператора от визуальных сигналов за счет звуковых.
Конструкция машины должна ограждать человека от недопустимых воздействий на его нервную систему — шума, яркого или недостаточного света, обилия сигналов информации и т. п. Органы управления не должны также вызывать физической утомляемости человека за счет усилий на рукоятках или неудобства их расположения.
Все эти факторы влияют на надежность системы человек— машина, особенно в аварийных ситуациях. Надо помнить о двоякой роли человека с позиций надежности: в одной стороны, человек — это весьма совершенная система, он может оценивать сложную обстановку и принимать такие решения, которые неспособна принять никакая управляющая машина, с другой стороны, человек сам подвержен «отказам», если на его нервную систему и на физическое состояние действуют недопустимые перегрузки.
При взаимодействии человека с машиной и при сравнении возможностей оператора и машины (при замене ручного труда и в первую очередь управления автоматическими системами) в одних случаях преимущество имеет человек, в других — машина и ее система управления. Так, человек имеет преимущества при работе машины в условиях неожиданных ситуаций, по способности дать заключение о состоянии машины по отдельным симптомам, по способности учиться на опыте, пр гибкости и оригинальности в действиях. Машина и ее органы могут превосходить человека по точности выполнения заданных и повторных действий, по чувствительности к сигналам, по скорости реакции, пб возможности накопления в памяти ЭВМ большого числа данных и быстрого их использования для управления машинор.
Поэтому для обеспечения высокой надежности системы человек—машина необходимо в наибольшей степени использовать богатейшие возможности и машины и человека, ограждать оператора от недопустимых перегрузок.
528
Особые проблемы порождает система «коллектив-комплекс машин», так как при эксплуатации современных машин именно это взаимодействие является наиболее характерным. Здесь помимо перечисленных выше факторов ведущую роль играют социальные отношения, иерархия (соподчиненность) отдельных исполнителей, организационная структура подразделения, идеология и взаимоотношения людей, системы управления качеством и надежностью.
Изучение и моделирование систем'«человек-техника», исследование и классификация отказов машин по вине оператора, изучение механизмов надежности человека как сложной кибернетической системы, создание адаптивных систем «человек-машина» способствуют повышению надежности машин, агрегатов и сложных комплексов при их эксплуатации.
4.	Сбор и обработка эксплуатационной информации о надежности изделий. Сведения о типичных отказах машин, о сроках службы деталей и узлов и трудоемкости их ремонта, полученные на основании сбора и обработки данных эксплуатации большого числа наблюдений, дают достоверную информацию о действительной работоспособности машины, хотя полученные сведения относятся к уже эксплуатируемым, а не новым машинам. Эта информация может эффективно использоваться для модернизации машин, для создания новых образцов с использованием опыта эксплуатации прототипов и для разработки рациональной системы ремонта и технического обслуживания.
В машиностроении разработана система стандартов, которая регламентирует порядок сбора и учета информации (ГОСТ 20857—75), формы учета и методы оценки эксплуатационной информации о надежности изделий (ГОСТ 19490—74), способы статистической обработки информации (ГОСТ 17509—72) и др.
В качестве источников информации используются данные первичных и сводных хронокарт, технологических и отчетных документов подразделений, осуществляющих техническое обслуживание или ремонт изделий, а также данные, полученные с помощью автоматизированных систем управления (ГОСТ 20857—75).
Для оценки надежности изделий обычно используется первичная форма учета в виде журнала учета наработок, повреждений и отказов (ГОСТ 17526—72). В этот журнал заносятся сведения о режимах работы и условиях эксплуатации изделий, о наработках с начала эксплуатации до каждого отказа, описание характера отказа, время его устранения и другие данные. Кроме того, установлен единый для всех отраслей машиностроения сводный перечень видов отказов изделий и сводный перечень оценок показателей надежности изделия и его составных частей (ГОСТ 19490—74).
Поскольку каждая отрасль машиностроения имеет свою специфику, на основании государственных стандартов разрабатываются отраслевые стандарты, определяющие методы сбора и обработки эксплуатационной информации о надежности.
529
В качестве примера можно привести ОСТ 70/23.2.8—73 — «Сбор и обработка информации о надежности тракторов и сельскохозяйственных машин». При сборе информации к отказам не относят нарушение работоспособности отдельных узлов и деталей, устраняемое в соответствии с установленными правилами планового технического обслуживания. В этом случае должна быть организована дополнительная информация о надежности из сферы ремонта (см. рис. 73).
При эксплуатации изделий особое внимание уделяется отказам, которые связаны с тяжелыми последствиями. Специальный стандарт (ГОСТ 20307—74) предусматривает «донесения об отказах», в которых регистрируются отказы, связанные с опасностью для жизни человека, приводящие (или могущие привести) к большим экономическим потерям. Регистрируются также отказы опытных образцов новой техники и машины, подлежащие подконтрольной эксплуатации.
. В большинстве случаев при разработке систем информации о надежности основное внимание уделяется сведениям о возникших отказах функционирования и в меньшей степени о параметрических отказах по изменению во времени выходных параметров изделия. Вместе с тем информация об изменении выходных параметров изделия имеет большое значение для оценки надежности не с позиций отыскания конструктивно-технологических недостатков и нарушений методов эксплуатации, а для выявления коренных тенденций изменения начальных показателей качества изделия.
Именно эти изменения характеризуют надежность изделия, его внутреннюю сущность и способность сопротивляться различным воздействиям. Изменение выходных параметров во времени характеризуется для машин, эксплуатируемых в разнообразных условиях, большой дисперсией.
Информация из сферы эксплуатации является тем каналом обратной связи, который воздействует на процесс проектирования и производства машины (см. рис. 71), вносит в него коррективы из условия создания изделий с требуемыми показателями надежности. Эта информация позволяет также оценивать методы и условия работы, ремонта и технического обслуживания машин, правильность организации сложного процесса эксплуатации машин.
5.	Причины отказа изделия раньше установленного ресурса. В процессе эксплуатации изделия нередко отказы возникают раньше, чем это установлено ресурсом, что приводит к неожиданному прекращению работы машины или к снижению ее эффективности.
Различные факторы, действующие на машину при эксплуатации, связанные с климатическими, биологическими условиями и внешними воздействиями, создают комплекс причин для ускорения процессов старения и разрушения.
Так, повышенная влажность среды, колебания температуры, загрязненность атмосферы, ветер, акустический шум, солнечная 630
радиация, плесень, бактерии, насекомые, грызуны — вот неполный перечень тех факторов, которые приходится учитывать при оценке возможности отказа изделия в различных условиях эксплуатации.
Чем большие воздействия оказывает на машину среда, тем выше вероятность отказа, которая резко возрастает при работе изделия в несвойственной ему обстановке. В этих случаях надо оценивать не вероятность отказа, а вероятность возникновения недопустимой ситуации.
Обычно внешние воздействия имеют большую дисперсию, и возникший отказ может быть следствием как недопустимости эксплуатационных нагрузок, так и недостаточной сопротивляемости изделия к их восприятию. Поэтому при возникновении преждевременных отказов, особенно при тяжелых последствиях этих отказов, часто создается конфликтная ситуация между конструкторами, технологами и эксплуатационниками. Кто виноват в возникновении того или иного отказа? Где искать источник отказа? Для ответа на эти вопросы необходимо проанализировать причины преждевременного отказа, те обстоятельства, которые обусловили внезапность его возникновения.
В табл. 32 приведены основные критерии для решения вопроса об ответственности той или иной службы за возникновение отказа.
Из табл. 32 видно, что если отказ возник при нормальных условиях эксплуатации изделия без технологических дефектов, а просто ТУ предусматривают вероятность безотказной работы Р (/) < 1, то возникновение такого отказа — допустимое событие, если число случаев отказа находится в регламентированных пределах. Если же отказ связан с нарушением ТУ при изготовлении и эксплуатации изделий или неправильными расчетами при проектировании изделия, то соответствующие подразделения
Категории преждевременных отказов
Таблица 32
j	Причина преждевременного отказа	Кто виноват в возникновении отказа
Неправильный расчет надежности изделия Неправильное установление ТУ на параметры изделия	Конструктор
Нарушение ТУ при изготовлении и испытании изделия	Технолог
Нарушение режимов и условий эксплуатации	Эксплуатационник
Допускаемая ТУ вероятность возникновения отказа	Никто
531
должны вносить коррективы в свою деятельность пересмотреть методы расчета и прогнозирования надежности, повысить надежность технологического процесса, усовершенствовать методы эксплуатации и ремонта машины и т. п.
Большую информацию о преждевременных и недопустимых отказах, возникающих в процессе эксплуатации, могут дать рекламации потребителя, если они подвергаются тщательной обработке и анализу.
Потеря машиной работоспособности требует создания специальной системы ремонта и технического обслуживания с тем, чтобы обеспечить наибольшую эффективность восстановления работоспособности при минимальных затратах времени и средств.
2.	Восстановление утраченной работоспособности машины
1.	Ремонт и техническое обслуживание — необходимые этапы эксплуатации машины. Потеря машиной работоспособности в процессе ее эксплуатации — неотвратимый процесс, протекающий в зависимости от конструкции машины й условий ее использования с большей или меньшей йнтенсивностью.
Предельным состоянием изделия будет такое, при котором вероятность выхода его параметров за допустимые пределы достигнет установленного уровня. Начиная с этого момента изделие нуждается в восстановлении утраченной работоспособности.
Это достигается путем ремонта узлов и элементов машины, заменой износившихся частей запасными, регулировкой механизмов и другими методами, которые для краткости будем называть одним термином — ремонт.
Ни одно изделие, тем более сложная современная машина, не может обойтись без ремонта и ТО, которые являются неотъемлемыми этапами процесса эксплуатации машины и должны обеспечивать в течение всего периода эксплуатации требуемый уровень безотказности при наименьших затратах времени и средств.
Если обобщить рассмотренные представления о факторах, влияющих на работоспособность машины (см. гл. 1, п. 3), то можно сказать, что при эксплуатации машины все виды-энергии снижают ее работоспособность, а энергия, затрачиваемая при ремонтах, идет на восстановление утраченной работоспособности (рис. 167). При этом, еще К. Маркс показал, что машина теряет свои свойства постепенно, а восстанавливает порциями. Необходимость периодического восстановления работоспособности машин ставит перед эксплуатационниками очень сложную задачу о выборе периодов времени между ремонтами и об установлении объемов ремонтных работ.
Действительно, с одной стороны, межремонтный период Т9 желательно иметь как можно большим, чтобы не прерывать нормальную эксплуатацию машины. С другой стороны, при увеличении То возрастает опасность возникновения отказов и могут быть 532
IVf=*• Wz * W3 - энергия действующая на машину
Рис. 167. Потеря и восстановление работоспособности машины с энергетических позиций
нарушены требования безотказности. Необходимо также установить объемы ремонтных работ, обеспечивающих поддержание работоспособности изделия.
От системы ремонта и ТО, которая определяет периодичность и объемы ремонтных работ, в сильной степени зависят показатели надежности изделия (см. гл. 1, пп. 2 и 4). Эта система для любой машины строится, как правило, на основании следующих принципов:
для удобства эксплуатации машины и планирования ремонта предусматриваются периодические остановки машины для ее ремонта и профилактических мероприятий через заданные, как правило, равные промежутки времени (или после выполнения заданного объема работы);
объемы периодических ремонтных работ и соответственно длительность простоя машины в ремонте неодинаковы, так как должно быть обеспечено восстановление работоспособности машины при протекании разнообразных процессов старения (см. гл. 2, п. I).
Анализируя процесс потери машиной работоспособности, К. Маркс писал/ что «чем больше вышла она за пределы своего среднего возраста, следовательно, чем более возрастает действие нормального изнашивания, чем больше используется и старчески ослаб материал, из которого она сделана, тем многочисленнее и значительнее становятся ремонтные работы, необходимые для того, чтобы поддержать существование машины до конца периода средней продолжительности ее жизни; совершенно так же старому человеку, чтобы не умереть преждевременно приходится делать больше расходов на медицинскую помощь, чем человеку, полному юношеских сил». *
При разработке системы ремонта и технического обслуживания необходимо также учитывать следующее:
в каждой машине, как правило, имеются детали и элементы с широким диапазоном их потенциальных сроков службы (наработки) до отказа;
* К. Маркс. Капитал, т. 2. М., Издательство политической литературы, 1974, с. 196.
533
современные технические возможности позволяют осуществить ремонт и восстановить утраченную работоспособность для любых отказов машины (кроме особых случаев — например, гибели изделия в результате катастрофы); вопрос может идти лишь о больших или меньших затратах времени и средств;
система ремонта и технического обслуживания имеет как общие для данного типа машин черты (например, характер и последовательность периодических ремонтов), так и параметры, отражающие уровень надежности машин данного назначения (например, время до капитального ремонта), основные параметры системы ремонта связаны с показателями надежности машины;
система ремонта назначается для машины в целом, поэтому вероятность отказа отдельных узлов и механизмов машины и их регламентированные сроки службы (наработки) должны назначаться с учетом периодичности ремонтов, принятой данной системой;
при оценке работоспособности машины деление деталей и узлов на ремонтируемые и перемонтируемые, как это часто делают, не обязательно; для восстановления работоспособности машины неважно, заменяется или ремонтируется деталь, важно лишь, чтобы замененная или отремонтированная деталь отвечала техническим условиям;
при разработке технологических процессов ремонтных работ необходимо учитывать их влияние на качественные показатели отремонтированных изделий [112].
2.	Виды ремонтных работ. Для восстановления работоспособности и создания условий для замедления процессов старения применяются разнообразные виды ремонта и ТО, классификация которых приведена на рис. 168. Основу любой системы ремонта составляют периодические плановые ремонты, которые производятся через равные, заранее назначаемые промежутки времени.
Такую систему часто называют планово-предупредительным ремонтом (ППР). Текущие плановые ремонты неодинаковы по содержанию. Их обычно подразделяют на малые (текущие) и средние (станки и технологическое оборудование); ТО и средний ремонт (автомобили); регламентные работы, профилактический и средний ремонты (самолеты) и др.
Последним основным ремонтом в цикле является капитальный ремонт, при котором ставится задача полного восстановления работоспособности машины. Часто капитальный ремонт совмещается с модернизацией машины, когда повышаются или изменяются ее технические характеристики.
Время до капитального ремонта машины, выраженное обычно в отработанных часах, называется длительностью ремонтного цикла Тк, а время между двумя последовательно проведенными ремонтами То — межремонтным периодом (ГОСТ 18322—73). Число периодических ремонтов k в каждом цикле равно k = ^-.	(2)
7 о 534
Ресурс машины до капитального или текущего ремонтов определяется требованиями к ее основным параметрам (см. гл. 1, п. 4) и объемом ремонтных работ, одной из характеристик которого являются относительные ремонтные потери г (см. гл. 1, п. 2). Выбор оптимальной длительности межремонтного периода и соответственно ремонтного цикла является одной из основных задач при построении рациональной системы ремонта.
В промежутках между периодическими ремонтами осуществляется межремонтное обслуживание машины, основная цель которого заключается в предупреждении отказов и ликвидации последствий недопустимых отказов. Межремонтное обслуживание включает периодические заранее планируемые осмотры машины, при которых производятся профилактические мероприятия (смазка, регулировка, очистка машины), диагностика состояния основных узлов и нетрудоемкий ремонт. Кроме того, поскольку существует вероятность отказа отдельных элементов и узлов машины, производится межремонтное обслуживание по потребности. Такой вид межремонтного обслуживания необходим при заранее предусмотренном методе эксплуатации машины до первого отказа (см. гл. 2, п. 4), при возникновении недопустимых отказов, при аварийных ремонтах или при отказах, которые возникнут раньше, чем наступит s текущий периодический ремонт.
Таким образом, системой ремонта предусматривается такой
Рис. 168. Классификация видов ремонтных работ
536
комплекс ремонтных мероприятий, который должен обеспечить поддержание и восстановление работоспособности машины. Задача заключается в рациональном распределении объемов ремонтных работ и назначении их периодичности таким образом, чтобы обеспечить требования надежности с минимальными затратами времени и средств на ремонт машины.
3.	'Влияние рассеивания сроков службы деталей и узлов на содержание периодических ремонтов. Периодичность ремонта машины То в основном определяет содержание ремонтных работ, так как в зависимости от срока службы детали или узла они будут включаться в соответствующий текущий ремонт. Однако решение о включении данной детали в тод или иной ремонт осложняется тем, что возникает рассеивание сроков службы, которое приводит к недоиспользованию потенциальной долговечности детали или к возрастанию вероятности отказа в межремонтный период.
Фактический срок службы Тф должен быть кратным межремонтному периоду То, т. е. Тф = kT0 (назначенный ресурс детали узла или изделия), так как восстановление детали планируется при текущем ремонте. В зависимости от рассеивания сроков службы узла или детали при среднем сроке службы Тср большим, чем период до n-го планового ремонта (т. е. Тср > п То), возможны следующие варианты назначения Тф (рис. 169) и соответственно стратегия ремонтных работ.
Вариант 1. Ремонт данной детали (узла) осуществляется при rt-м плановом ремонте, т. е. назначается Тф1 = пТ9. При* этом имеется некоторая вероятность а отказа детали до наступления n-го ремонта. Если отказ наступил до планового ремонта, то деталь ремонтируется или заменяется при межремонтном обслуживании. Такой вариант обычно целесообразен, если вероятность отказа а невелика, т. е. вероятность безотказной работы р находится в допустимых пределах р = 1 — а > Рдоп (/).
Вариант 2. Ремонт детали осуществляется при и — 1 ремонте, т. е. Тф2 = (и — 1) То. В этом случае обеспечивается высокая безотказность изделия, однако его сроки службы значительно недоиспользуются, так как Гф2 < Тср.
Вариант 3. При п — 1 ремонте производится контроль степени повреждения данной детали и дается заключение о возможности ее безотказной работы в течение последующего межремонтного периода. Диагностику можно осуществлять также во время специально запланированного осмотра О, В зависимости от ре-
Рис. 169. Влияние рассеивания сроков службы деталей на содержание плановых ремонтов
536
зультатов контроля ремонт детали осуществляется при п — 1 или при п-м ремонте.
Данный вариант обеспечивает наибольшее использование потенциального срока службы детали с одновременной гарантией высокой безотказности работы изделия. Однако он требует дополнительных затрат на диагностику, знания основных причин потери работоспособности и наличия методов и технических средств для обнаружения и оценки степени повреждения изделия.
Выбор того или иного варианта производится на основе анализа ремонтных потерь и требований безотказности. Таким образом, для каждой детали или узла машины устанавливается, при каком текущем ремонте она должна ремонтироваться (т. е. назначается ее фактический срок службы), и это определяет объем всех ремонтных работ как периодических, так и межремонтного обслуживания.
Методы установления потребности в ремонте данного узла или элемента машины открывают возможность проведения ремонта по техническому состоянию машины, когда объемы и содержание ремонтных работ каждый раз устанавливаются или корректируются в соответствии с действительными потребностями.
Объемы ремонтных работ и фактические сроки службы деталей и узлов должны определяться эксплуатационниками вне зависимости от того, насколько им известны средние значения и дисперсия сроков службы. Отсутствие информации о надежности элементов изделия ведет к недоиспользованию сроков службы (для гарантии узлы ремонтируют значительно чаще, чем это необходимо) или к повышенной вероятности отказа изделия в межремонтный период. И то и другое обусловливает дополнительные затраты.
Чем достовернее информация о сроках службы элементов и узлов изделия, тем больше возможностей для использования надежности, заложенной при конструировании машины. Система ремонта должна в максимальной степени отвечать реальной потребности машины в восстановлении ее работоспособности.
4.	Формирование структуры ремонтного цикла. Структура ремонтного цикла, т. е. число периодических ремонтов в цикле, их вид и чередование для разных типов машин могут быть различными. Однако формирование структуры ремонтного цикла происходит по общим законам и отражает связь показателей надежности всей машины с потенциальной долговечностью ее узлов и элементов.
Для анализа содержания отдельных видов ремонта при данном межремонтном периоде Го разобьем все элементы, детали и узлы машины на группы в зависимости от их сроков службы.
К данной я-й группе будут относиться все те детали, ремонт которых назначен через Тф = пТ\. Таким образом, детали 1-й группы должны ремонтироваться через TQ часов работы машины, детали 2-й группы через 2Т0 часов и т. д. При наличии вероятности
637
Рис. 170. Формирование структуры ремонтного цикла
а отказа деталей в межремонтный период эти ремонтные работы будут включены в межремонтное обслуживание.
На рис. 170 показана схема формирования структуры ремонтного цикла, где на оси абсцисс (время работы машины) указаны порядковые номера текущих ремонтов, которые осуществляются через равные промежутки времени То, а на оси ординат (срок службы элементов машины), указаны соответствующие группы деталей или узлов.
Для каждой группы деталей кружком отмечено, в какой ремонт она должна быть включена. По мере износа машины потребность в ремонте ее узлов возрастает. Например, после работы в течение t = 2То ч требуется ремонт деталей только 1-й и 2-й групп. Через t = 4Т0 потребуется также ремонт и деталей 4-й группы, имея в виду, что детали 3-й группы были отремонтированы соответственно при третьем периодическом ремонте.
Данная схема показывает, что все виды ремонтов будут неодинаковы, так как включают ремонт разных групп деталей.
Для удобства планирования ремонтов желательно иметь ограниченное число наименований текущих ремонтов (например, иметь только малый и средний ремонты), что достигается изменением периодичности ремонта некоторых групп деталей. Например, как это указано на схеме, детали 4-й и 5-й групп целесообразно ремонтировать с периодичностью ЗТ0- Это, конечно, повлечет за собой дополнительное недоиспользование сроков службы этих деталей, однако позволит сосредоточить ремонт большего числа деталей при ремонте № 3 и выполнять его как средний ремонт повышенной трудоемкости. Если при 6-м ремонте производить капитальный ремонт, т. е. принять Тк = 6Т0 и ремонтировать при нем детали всех групп, то при таком шестипериодном ремонтном цикле (К ~ 6) получим следующую структуру: I—I—II—
538
Здесь в I (малый) ремонт включаются детали 1-й или 1-й и 2-й групп, во II (средний) ремонт — детали 1, 3, 4 и 5-й групп, а в III (капитальный) ремонт включены все группы.
Если принять трудоемкость всех групп примерно одинаковой, то соотношение объемов ремонтных работ будет 1:11:111 = 1:4:6 (последняя цифра условная и зависит от числа групп деталей).
При назначении Тк = 9Т0 получим девятипериодный цикл (К = 9) со структурой: I— I— II— I—I—II—I— I—III.
Из графика видно, что при цикле, состоящем из девяти периодов, не сохраняется постоянным содержание ремонта одного наименования, что является следствием нерационального построения структуры цикла. Так, в ремонт I вида в одном случае входит первая группа деталей, в другом — первая и вторая, что, однако, не отражено в нормативах системы. По существу данная структура имеет пять различных видов ремонта.
Поэтому автором был предложен шестипериодный оптимальный цикл со структурой I—II—III—II—I—IV, где I и II — первый и второй малые ремонты, III—средний и IV — капитальный [146].
Данная структура цикла обеспечивает постоянство объема и содержания ремонтов одного наименования. При оптимальном цикле будет наиболее полное соответствие между нормативами на данный вид ремонта и фактическим объемом ремонтных работ.
Для обоснования целесообразности применения того или иного цикла необходимо провести расчет различных структурных вариантов и установить, какой из них обеспечивает при прочих равных условиях минимальную трудоемкость ремонта.
Проведем такое сравнение для шести- и девятипериодных циклов ремонта технологического оборудования при одинаковой длительности межремонтного периода То. Подсчитаем удельную трудоемкость т1х и tVi ремонта машины, приходящуюся на единицу времени ее функционирования для соответствующих ремонтных циклов.
Через Tf, т2; ... и т. д. обозначим трудоемкость ремонта деталей соответствующих групп.
Для девятипериодного цикла (см. рис. 170)
^ix ~ ”97^~ ^Т1 5Т2 + 3 (т3 +> т4 4- т5) + 2 (тв + т7 -|- т8) + т»] =*
= -у?— [Ti -р 0,555т2 4~ 0,333 (т3 4~ т4 4~ т5) 4-
1 о
+ 0,222 (т. + т7 + т8) + 0,112т,].	(3)
Для шестипериодного цикла
Tvi = "577[6Т1 + Зт2 + 2 (т’+ + Тб) + т« + + Т’+ 41 =
= -f-[Ti + 0,5т2 -|- 0,333 (т3 + "14 + т6) -|-
1 о
+ 0,167	+ + +	(4)
539
Более целесообразно принять ту сумму, которая при прочих равных условиях обеспечивает меньшую трудоемкость ремонта. Если через а обозначить разность между трудоемкостями ремонта соответствующих систем а = т1х—tVi, то при а > 0, более выгоден шестипериодный цикл, так как в этом случае Tvi < т1х, а при а < 0 более выгоден девяти пер иодный цикл.
Из формул (3) и (4) получим
а = -у— (т2 -{ тв +	т8 — те)«	(5)
1 о
Следовательно, девяти пер иодный цикл будет выгоден лишь в том случае, если т9 > (т2 + ^в +т7 4-т8), т. е. когда трудоемкость деталей 9-й группы больше трудоемкости деталей 2, 6, 7 и 8-й групп вместе взятых.
Однако в подавляющем большинстве случаев трудоемкость ремонта 9-й группы меньше трудоемкости указанных четырех групп, т. е. более выгоден оптимальный шестипериодный цикл.
На структуру ремонтного цикла могут накладывать отпечаток конструктивные особенности машин, специфические условия их ремонта и эксплуатации, требования надежности.
Так, наличие отдельных элементов, трудоемкость ремонта которых резко отличается от остальных деталей, может повлиять на выбор длительности ремонтного цикла, так как именно эти элементы будут определять необходимость проведения капитального ремонта.
Например, износ направляющих тяжелых металлорежущих станков, износ стенок цилиндра двигателей внутреннего сгорания, коррозия корпусов морских судов часто определяют длительность ремонтного цикла Тк, что при выбранном значении межремонтного периода То приведет к числу ремонтов в цикле К не обязательно равному К = 6 и соответственно к иной структуре цикла. Однако установление целесообразной структуры и в этом случае должно исходить из сопоставления трудоемкости ремонта для различных вариантов цикла.
Существенное влияние на структуру цикла могут оказать требования к надежности и безопасности машины, v
Если требования безотказности велики, т. е. Р (/) —* 1, то для обеспечения этого в период между плановыми ремонтами необходимо осуществлять комплекс ремонтно-профилактических и диагностических мероприятий, которые образуют свою локальную систему с мероприятиями различной трудоемкости и периодичности.
Примером такой структуры может служить система ремонта и ТО гражданской авиационной техники [105]. Ремонт самолетов производится на специализированных предприятиях с изъятием их из сферы эксплуатации на сравнительно длительный срок. Здесь обычно производится профилактический (средний) и капитальный ремонты. Техническое обслуживание выполняется непо-540
средственно в процессе эксплуатации авиационной техники и предусматривает систему обязательных (регламентных) работ, выполняемых с постоянной периодичностью Тоб, но различной трудоемкости. По трудоемкости, которая в авиации регламентируется формой обслуживания, эти работы разделяются обычно на четыре категории —Ф4. Например, для самолета Ил-18 предусматривался период регламентного обслуживания Тоб = 50 ч и производились следующие формы технического обслуживания: — через каждые 50 ± 10 ч, Ф2 — через 200 ±20 ч, Ф3 — через 600 ± ± 20 ч и Ф4 — через 1200 ± 120 ч налета.
Как видим, здесь более сложная структура ремонта и технического обслуживания, которая диктуется высокими требованиями к надежности изделия.
5. Методика определения оптимального межремонтного периода. Величина межремонтного периода TQ является основным параметром системы ремонта, отражающим специфику, степень совершенства и условий эксплуатации машин данного типа. Система ремонта приобретает законченные организационно-технические формы при выборе рациональной структуры и назначения оптимального межремонтного периода. При этом ремонтные воздействия производятся через равные промежутки времени, т. е. Tq= const. Предложения о применении переменных в течение цикла значений То являются в большинстве случаев нерациональными. Хотя формально и возможно такое математическое решение, которое покажет некоторое снижение ремонтных затрат при дифференциации То в пределах цикла, но организационные трудности не позволяют реализовать эти преимущества.
Такое решение можно рассматривать лишь для уникальных машин, о состоянии работоспособности которых имеется подробная информация.
Рассмотрим методику определения оптимального межремонтного периода Топт на примере технологического оборудования, когда изменение установленного (фактического) значения То => = Тфакт связано лишь с затратами на ремонт и не накладывается дополнительных ограничений (как, например, длительность рейса для транспортных машин, невозможность прервать технологический процесс для некоторых видов оборудования и сельскохозяйственных машин и т. д.).
Определение межремонтного периода следует производить после выбора структуры ремонтного цикла, оно является второй задачей по установлению основных параметров ремонтной системы. Оптимальный период будет тот, который обеспечит при прочих равных условиях минимальное значение относительных ремонтных потерь z за счет рационального соотношения между объемами работ при периодических ремонтах и межремонтном обслуживании.
Для решения этой задачи, необходимо установить зависимость от межремонтного периода относительных ремонтных потерь
541
<p(t)
Рис. 171. Оценка трудоемкое-ти ремонта:
а — кривая распределения трудоемкости ремонта деталей различных групп; б — зависимость относительных ремонтных по-
t терь г от длительности межремонтного периода
при межремонтном обслуживании (которые возрастают при увеличении То) и при периодических ремонтах 2П (которые уменьшаются с ростом Tq). Значение зависимости суммарных потерь z = zM 4- z^ от Т0 позволит определить минимум этой функции.
Примем следующие обозначения:
Тф—фактический межремонтный период, применяемый при эксплуатации данного оборудования; тм — существующая трудоемкость межремонтного обслуживания за межремонтный период Тф; — трудоемкость ремонта I вида (ремонт 1-й группы деталей); тк — суммарная трудоемкость ремонта машины при одновременном ремонте всех групп деталей (трудоемкость капитального ремонта); Р — коэффициент, показывающий возрастание трудоемкости ремонта деталей узла при межремонтном обслуживании за счет возрастания сборочно-разборочных работ.
Для нахождения зависимости z — f (То) необходимо знать характер изменения трудоемкости ремонта групп деталей в зависимости от их сроков службы.
Эта зависимость характеризуется кривой распределения <р (/) (рис. 171, а), ординаты которой показывают долю общей трудоемкости ремонта станка, приходящуюся на детали с данной долговечностью, а площадь — трудоемкость ремонта этой группы деталей.
Значения трудоемкости соответствуют одновременному ремонту деталей, совершаемому при периодических ремонтах. При решении поставленной задачи примем трудоемкость отдельных групп деталей одинаковой, т. е. кривая распределения <р (/) будет параллельна оси абсцисс. Это приводит к более простым зависимостям для отыскания Топт. Однако и при другом характере кривой распределения можно в первом приближении принять указанную схему, так как речь идет о сравнительно небольшом изменении То и о целесообразности перевода в межремонтное обслуживание некоторых деталей первой группы.
Определим уравнение функции <р (t) и область ее существо-
вания.
542
Из графика видно, что объем ремонтных работ I вида характеризуется площадью кривой <р (/):
Ф(О
откуда
Ф(О = -^.	(6)
С другой стороны, ордината ф (/) может быть определена, исходя из всего объема ремонтных работ
Ф (0 = 7- - Тк Т >	(7)
' '	' шах —7ф	' '
где Ттах — наибольший срок службы деталей, который определяет границу существования кривой ф (t).
Если ср (/) не является прямой, то значение Тшах носит условный характер и служит для определения числа групп деталей /, входящих в периодические ремонты.
Приравнивая правые части равенства (6) и (7), получим
Тшах-Тф = Тр
откуда
= Тф (^- + 1) .	(9)
Используя полученные соотношения, определим относительные ремонтные потери в зависимости от величины межремонтного периода То.
Для определения относительных ремонтных потерь zM при межремонтном обслуживании примем формулу (8) гл. 1, учитывая, что при увеличении межремонтного периода То по сравнению с фактическим Тф помимо существующего объема ремонтных работ тм прибавляются детали, ранее ремонтировавшиеся при периодических ремонтах (Тф < Т < То):
____1м. V _______тм I f° di	(10) м ~ Тф Tt ~ Тф J Т •
Гф	7ф
Значение dx определим, исходя из уравнения (6) учитывая возрастание трудоемкости при последовательном ремонте, которое характеризуется коэффициентом 0:
dr = ₽<р(0 </?’ = ₽ dT.
1 ф
543
Подставляя это значение в формулу (10), получим
гм~Тф+^Тф1 Т ~ Тф (тм + ₽т11п Тф) •	00
ТФ
Как видно из полученного соотношения, с увеличением длительности межремонтного периода То возрастают относительные ремонтные потери zM.
Для определения относительных ремонтных потерь при периодических ремонтах zn примем, что средняя трудоемкость одного периодического ремонта т0 равна
^ = 4-(т2т)>	(,2>
где k — число ремонтов в цикле; I — число групп деталей, I =* = -^ах-; тп — суммарная трудоемкость деталей, входящие в плановые ремонты; У tn — число всех ремонтируемых групп деталей в ремонтном цикле (при k — 6	= 10 4- Z, при k ==
= 9 2jm = 21-f-Z, как это следует из рис. 170).
В общем виде У ш = а 4- Z, где а = 10 — для шестипериодного и а = 21 — для девятипериодного
Тогда
, -	- Тп _ хп / а , .\
“ То “ Т9 kl ~ kT9 \ I '
циклов.
(13)
Суммарная трудоемкость тя деталей, ремонты, т ___ т ^tnax — TQ
vn — т _______т.
1 max — J ф
входящих в плановые
(М).
или, учитывая равенство (8), = (T'tnax Т'о),	(15)
т
Подставляя это значение в формулу (13) и заменяя I — —для
* о произвольного цикла, получим
г"=жЬ’-“^+2Н	<1б>
Для оптимального шестипериодного цикла (а = 10) получим
5-1,67^ + 0,167^).	(17)
544
Формулы (16) и (17) показывают, что с увеличением То относительные ремонтные потери z0 уменьшаются.
Для определения оптимального периода Топт подсчитаем суммарные относительные ремонтные потери г = zM ф- za, используя формулы (11) и (17):
г=^[(^+1'5-Р1пГф)+Р1пТ«-1-67^г +
+ 0,167^2».].	(18)
Из формулы (18) следует, что для каждого конкретного случая имеется значение межремонтного периода, обеспечивающее минимум ремонтных потерь (рис. 171, б).
Для определения оптимального межремонтного периода продифференцируем уравнение (18) по Т0 и приравняем производную нулю. После преобразований получим
= -V (v + *)(р ~ГФ-	<19>
На рис. 172 приведена номограмма, построенная по формуле (19), по которой можно оценивать значение оптимального межремонтного периода. Например, если трудоемкость капитального ремонта в 10 раз больше первого текущего (т. е. -s io), а возрастание сборочно-разборочных работ характеризуется коэффициентом р = 2, то по номограмме получим Топт = 0,9 Тф Следовательно, целесообразно уменьшить установленный межремонтный период, что даст без проведения каких-либо мероприятий сокращение затрат на восстановление машиной работоспособности, утрачиваемой во время эксплуатации.
На величину Топт существенное влияние оказывает значение коэффициента р. При сокращении времени на сборочно-разборочные работы путем применения быстросменных деталей и внедрения регулировок для компенсации износа становится целесообразным повышение межремонтного периода.
Коэффициент р зависит от конструкции машины и может быть рассчитан или определен практически (см. гл. 12, п. 3).
При изменении условий ремонта и эксплуатации машины межремонтный период также должен быть соответственно изменен.
Рассмотренный метод выбора межремонтного периода и структуры цикла базируются на анализе трудоемкости ремонта, выраженной в простоях машины, связанных с восстановлением утраченной работоспособности.
Аналогичный анализ можно выполнить, оценивая трудоемкость восстановления в затратах средств на ремонт и техническое обслуживание. Обычно существует пропорциональность между затратами времени и затратами средств, поэтому оптимальные
18 Проников А, С.	^45
Рис. 172. Номограмма для определения оптимальных значений межремонтного периода
значения Топт и рациональная структура будут, как правило, идентичны при оценке по этим двум критериям.
Следует подчеркнуть, что оценку работоспособности любого изделия невозможно вести в отрыве от системы его ремонта, которая накладывает свой отпечаток на все показатели надежности изделия.
Осуществляемая система ремонта является индикатором наших знаний о надежности изделия.
Так, наличие большого объема межремонтного обслуживания, частые аварийные ремонты свидетельствуют о несоответствии принятой системы ремонта фактическим потребностям машины, а большой суммарный объем ремонтных работ — о низкой надежности изделия или о неправильных методах его эксплуатации.
При эксплуатации машины идет процесс приспособления методов ремонта к конструкции машины, а при конструировании параллельный процесс приспособления машины к условиям ее эксплуатации и ремонта.
При этом основным показателем является суммарный объем ремонтных работ. Схема таких взаимодействий показана на рис. 173. При превышении фактического объема ремонтных работ над запланированным на основе анализа причин этого рассогласования
Рнс. 173 Схема процесса совершенствования ремонтопригодности машин
546
осуществляются воздействия (обратные связи) как на систему и методы ремонта, так и на конструкцию машины
В результате и система ремонта и конструкция машины должны соответствовать требованиям надежности, установленным техническими условиями.
Рациональная система ремонта должна обеспечить предупреждение всех основных отказов при наиболее полном использовании потенциальных сроков службы элементов и плюс ^'нчны.
3.	Ремонтопригодность машин
1.	Ремонтопригодность машин и ее оценка. Конструкция машины оказывает существенное влияние на показатели надежности не только с точки зрения долговечности отдельных элементов и узлов, но и в зависимости от ее приспособленности к ремонту и техническому обслуживанию.
Свойство изделия, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов и повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания, называется ремонтопригодностью (ГОСТ 13377—75).
Большое влияние на ремонтопригодность машины оказывает применение стандартных и унифицированных узлов, рациональное членение машины на сборочные узлы и блоки, доступность отдельных механизмов. Преимуществом всегда обладает также то изделие, которое отвечает требованиям ТУ при наибольшей простоте конструкции, с минимальным числом сопряжений и деталей. Сконструировать простое изделие данного назначения труднее, чем сложное.
Обычно считают, что ремонтопригодность является таким же свойством изделия, как долговечность и безотказность.
С таким мнением вряд ли можно согласиться. Ремонтопригодность машины может проявляться лишь при ее ремонте, а необходимые перерывы для ремонта и технического обслуживания связаны с понятием долговечности изделия (см. гл. 1, п. 2). Поэтому ремонтопригодность машины при всей ее роли в формировании показателей надежности является лишь составной частью показателя долговечности.
Основным показателем ремонтопригодности могут служить относительные ремонтные потери г, которые оценивают трудоемкость ремонтных работ [см. формулу (8) гл. 1 ]
2=	У	(20)
р 1 1 '
Поскольку на значение т влияет технология ремонта тг и конструкция изделия ти, при сравнении конструкций следует регламентировать значение тг или принимать тт = 0. Здесь под тг 18*	547
понимаются затраты времени на ремонт, производимый вне машины (например, восстановление демонтированной детали), когда конструкция машины не оказывает влияния на значение тт.
Относительные затраты времени на ремонт и техническое обслуживание являются случайной величиной, поскольку дисперсию имеют как сроки службы Tt (или время работы изделия до предельного состояния), так и потери, связанные с восстановлением утраченной работоспособности т,. В качестве характеристики ремонтопригодности отдельных элементов машины применяются среднее время восстановления тср и его дисперсия <%.
Оценка этих показателей производится по закону распределения времени восстановления, который может быть получен на основании эксплуатационных наблюдений или специальных испытаний на ремонтопригодность.
На значение т оказывает влияние не только конструкция машины, но и методы организации ремонта, его техническая оснащенность, квалификация ремонтников и другие организационнотехнические и эргономические факторы. Кроме того, следует различать суммарную продолжительность ремонта или ТО, которая включает все виды простоев изделия, в том числе по организационным причинам, и оперативное время, связанное только с производством и подготовкой ремонтных работ (ГОСТ 18322—73).
Для характеристики ремонтопригодности машины должно учитываться оперативное время. Поскольку время восстановления т — случайная величина, в качестве показателя применяется также вероятность восстановления Р (тн), которая представляет собой вероятность того, что время восстановления т не гпевзойдет заданного (нормативного) значения тн:
Р(т„) = Вер(гсти|.	(21)
Все основные показатели ремонтопригодности могут быть интерпретированы в экономическом плане, когда вместо затрат времени характеристикой служат затраты средств. Так определяются затраты средств на устранение последствий отказов, техническое обслуживание и ремонт машины (абсолютные и относительные), отнесенные к единице времени эксплуатации или к единице произведенной продукции [29].
2.	Факторы, определяющие ремонтопригодность машины. Специфическое свойство ремонтопригодности машины заключается в том, что она зависит от конструкции машины, а проявляется в конкретных условиях эксплуатации. В зависимости от этих условий потенциальные возможности конструкции могут быть использованы в большей или меньшей степени.
При конструировании машины на ее ремонтопригодность основное влияние оказывают следующие факторы:
общая компоновка машины с точки зрения доступности к ее узлам и механизмам для контроля их состояния, обслуживания и проведения ремонтных работ;
548
простота разборки и монтажа узлов и сопряжений в первую очередь тех, которые могут входить в межремонтное обслуживание, быстросменность элементов, обладающих малой стойкостью;
применение принципа агрегатирования, когда машина легко расчленяется на отдельные узлы, агрегаты и блоки, причем присоединение их к машине не требует применения специальных приемов;
использование стандартных узлов и элементов, применение принципа унификации, когда ремонтники и эксплуатационники встречаются с однотипными и одинаковыми узлами и механизмами в различных машинах [114];
применение принципов автоматической подналадки и компенсации износа (см. гл. 8, п. 5), саморегулирования параметров машины, автоматизации профилактических операций;
простота обнаружения отказов или повреждений за счет встроенных приборов, контролирующих выходные параметры машины, и возможностей по диагностике состояния машины;
возможность производить регулировку, замену износившихся элементов, осуществлять диагностику и другие работы простыми методами, без применения высококвалифицированной рабочей силы.
3.	Влияние трудоемкости сборочно-разборочных работ на параметры ремонтной системы. Приведенные расчеты и графики (см. рис. 172) показывают, что на выбор оптимального значения межремонтного периода существенное влияние оказывает возрастание сборочно-разборочных работ при переходе от одновременной к последовательной разборке узла при замене нескольких его деталей. Характеристикой ремонтопригодности узла является коэффициент р. Чем больше узел приспособлен к замене и демонтажу отдельных деталей, чем меньше времени требуется на отладку и настройку узла после замены или ремонта его деталей, чем больше воплощен принцип быстросменностн малостойких деталей, тем ближе значение |3 к единице и тем больше возможностей по повышению межремонтного периода.
Значение коэффициента р определяется либо непосредственно путем хронометража процесса сборочно-разборочных по формуле
п
Уз (ТС1 ~г Тр i)
где тс — трудоемкость сборки, разборки и выверки, приходящаяся на данную группу деталей при одновременном ремонте узла; тр — трудоемкость одновременного ремонта этих деталей; тсг — трудоемкость сборочных работ для ремонта r-й детали; тр£- — трудоемкость ремонта z-й детали; п — число деталей в узле, которое может быть переведено в межремонтное обслуживание; ct, — вероятность отказа данной детали в межремонтный период.
549
Ксо'р1’ициен1 а вводи 1ся для ге.х деталей, которые за счет рассеивания сроков службы не всегда выходят из строя в межремонтный период. Поэтому трудоемкость сборки и ремонта этих деталей при последовательном ремонте уменьшится в а раз, а при одновременном ремонте уменьшится только трудоемкость ремонта.
Для заменяемых деталей, имеющихся на складе в качестве запасных, тр = 0, и формула (23) примет вид
п
£ V4
₽=-4--------•	(23)
Тс
При переводе в межремонтное обслуживание деталей из различных узлов, имеющих неодинаковое значение р, определяется расчетное значение рр, учитывающее трудоемкость ремонта каждого /л-го узла:
m
У PfT/rtZ
₽р = ~й----->	(24)
1
где тт1 — трудоемкость ремонта m-го узла, включая сборочные работы; m — число узлов, детали которых переводятся в межремонтное обслуживание.
Пример расчета р и Тот для конкретных производственных условий приведен в работе [146].
Часто на практике желательно выяснить целесообразность повышения или понижения существующего межремонтного периода Тф.
Для ответа на этот вопрос представим графически (рис. 174) формулу (19) при х—^~^=1,
1 ф
тогда
Если на рис. 174 точка, соответствующая фактическим значениям р и лежит выше кривой х = 1, то межремонтный период целесообразно повышать, если ниже — понижать.
При увеличении межремонтного периода необходимо предусматривать объем профилактических мероприятий (промывок, осмотров, регулировок), не допускающих появления прогрессивных износов.
Рассмотренная выше методика определения оптимального межремонтного периода базируется на возможности перевода отдельных деталей в межремонтное обслуживание, хотя на практике могут быть причины, препятствующие этому.
550
Рис. 174. Граничная кривая для определения целесообразности повышения межремонтного периода
Например, если для перевода деталей в межремонтное обслуживание требуется разбирать сопряжения, имеющие посадки с натягом, то частая разборка может вывести из строя эти сопряжения, что увеличит объем ремонтных работ. Однако это говорит о нерациональной конструкции машины с точки зрения замены быстроизнаши-вающихся деталей, т. е. о ее
Ремонтопригодность машины и ственно влияют на один из осное
низкой ремонтопригодности, ее показатели z и [3 непосред-шх параметров ремонтной си-
стемы — длительность межремонтного периода.
4. Обеспечение машин запасными частями. На трудоемкость ремонта большое влияние оказывает возможность быстрой замены поврежденного узла или детали машины и восстановления за счет этого утраченной работоспособности.
Обычно для эксплуатации машин предусматриваются запасные части, номенклатура которых должна отражать характер типичных повреждений, возникающих в машине, а их количество соответствовать потребности, исходя из сроков службы и методов ремонта. Конструкция машины должна быть приспособлена к осуществлению быстросменности.
Наличие запасных частей значительно сокращает время и стои-
мость ремонта и, как правило, полностью восстанавливает утраченную работоспособность, поскольку эти детали изготовлены в тех же условиях, что и установленные в машине и обладают необходимыми показателями качества. Это дает большой экономический эффект, увеличивает межремонтный период, способствует эксплуатации машин в разнообразных условиях.
В различных отраслях машиностроения создаются специализированные заводы или подразделения для производства запасных частей, причем это производство занимает обычно существенную долю в общем объеме продукции.
Однако правильное планирование выпуска запасных частей является сложной задачей.
Во-первых, установление номенклатуры быстроизнашиваю-щихся частей на стадии проектирования или для новой машины, не имеющей опыта эксплуатации, не всегда представляется возможным. Отсутствие данных по скорости изнашивания и срокам службы, недостаточная информация об эксплуатации прототипов или аналогичных изделий, неточность методов расчета сроков службы — все это приводит к тому, что конструктор может уста-
551
новить перечень быстроизнашивающихся деталей лишь с грубым приближением.
Во-вторых, при определении потребности в запасных частях на весь период эксплуатации машины не всегда известны спектры предполагаемых или имеющих место эксплуатационных нагрузок и условий работы и ремонта машины.
Поэтому часто трудно оценить даже средние значения сроков службы или скоростей изнашивания отдельных деталей и сопряжений и по ним — потребность в объеме запасных частей.
Количество необходимых запасных частей при эксплуатации парка машин можно оценить двумя основными способами:
на основании статистических данных из сферы эксплуатации, что дает достаточно точную картину лишь для устойчивых в конструктивном отношении моделей машины и при постоянном анализе тенденций в потребности запасных частей;
методом расчета в сочетании со статистическим моделированием; расчет показателей надежности на стадии проектирования, рассмотренный выше, является базой и для оценки потребности в запасных частях.
Следует подчеркнуть, что наличие в машине запасных частей, которые заменяются при межремонтном обслуживании или при текущих плановых ремонтах, накладывает отпечаток и на конструкцию машины. Помимо удобства демонтажа и установки заменяемой части необходимо, чтобы заменялся как можно меньший по массе и простой по конфигурации узел. Это часто связано с применением специальных конструктивных решений, которые упрощают в удешевляют ремонт и эксплуатацию машины, а также производство запасных частей. Например, при износе сложного кулачка может заменяться не весь кулачок, а лишь изношенная часть профиля, при смятии отверстий под пальцы у рычагов и многозвенных механизмов должен заменяться не рычаг, а его головка или втулки под отверстия и т. п.
Конструкция машины должна соответствовать требованиям ремонтопригодности.
5. Ремонтосложность машин. Помимо характеристики ремонтопригодности часто возникает потребность в оценке сравнительной трудоемкости ремонта машин различного конструктивного оформления и различной сложности. При планировании ремонтных работ удобно выбрать одну из машин за эталон, с которым сравнивать трудоемкость ремонта всех остальных моделей, оценивая ее в относительных показателях (коэффициентах).
Такой метод используется, например, в системе ППР для технологического оборудования [223].
В качестве эталона принята ремонтная сложность наиболее распространенного токарно-винторезного станка 1К62, которому присвоена 11-я категория ремонтной сложности (7? — 11). Для всех остальных типов и моделей станков устанавливается своя категория ремонтной сложности (например, для многошпиндель-552
ного автомата мод. 1225 — R = 18) и по ней оцениваются все трудозатраты на ремонт данной машины.
Этот метод удобен тем, что для вновь создаваемой машины можно с достаточной степенью приближения подсчитать показатель ремонтосложности R, если известно влияние на него основных конструктивных факторов и технических характеристик.
Эти корреляционные зависимости, например, для металлорежущих станков, получены на основании исследования и анализа фактической трудоемкости различных изделий. Ведущее влияние на показатель ремонтосложности оказывают вес машины и ее габариты, мощность привода, общее число деталей или сопряжений в машине, конструктивные параметры данной модели и т. п. Так, например, по данным работы [ 131] для токарных станков средних размеров при ведущем значении в трудоемкости ремонта сборочно-разборочных работ, можно оценить ремонтосложность нового станка по формуле
<*>
где G и G3 — соответственно масса оцениваемого станка и станка-эталона; п и п3 — число деталей соответственно для оцениваемого станка и для эталона.
Показатели степени в этой формуле получены на основании статистической обработки данных о влиянии G и п на трудоемкость ремонта. Применение относительных показателей ремонто-сложности облегчает оценку ремонтопригодности машин.
4. Диагностика машин
1. Задачи технической диагностики. Широкий диапазон условий и режимов эксплуатации, а также вариация начальных показателей качества машины приводят к значительной дисперсии в скоростях потери ею работоспособности и соответственно во времени достижения машиной предельного состояния. Поэтому весьма важно иметь методы и средства для оценки технического состояния машины — определение степени ее удаленности от предельного состояния, выявление причин нарушения работоспособности, установление вида и места возникновения повреждений и т. п.
Эти задачи решаются методами диагностирования, применение которых, особенно для сложных систем, позволяет получить большой экономический эффект з?1 счет более полного использования потенциальных возможностей машины и учета конкретных свойств и условий эксплуатации. Технической диагностике посвящено большое число работ и исследований.
Система диагностирования, которая включает объект и применяемые для этой цели средства, относится по существу к системам контроля. Оцнако специфика технической диагностики заклю
553
чается в направленности ее методов на определение состояния изделий, находящихся в эксплуатации с выявлением необходимости в восстановлении утраченной работоспособности. Кроме того, как указывает проф. П. П. Пархоменко [192], процесс проверки технического состояния сложного объекта есть процесс управления этим объектом, выполняемый по определенной программе.
Это накладывает отпечаток на методы и средства диагностики, которые должны быть удобны для применения в условиях эксплуатации, обеспечивать осуществление процесса в минимальное время, обладать большой точностью и достоверностью показаний, особенно при высоких требованиях к надежности изделий, применять в основном методы контроля без разборки, а в отдельных случаях и без нарушения работы механизма, быть экономически целесообразными.
Результаты диагностирования могут быть использованы для прогнозирования надежности объекта и для принятия решений о проведении ремонта или ТО. Объектом технического диагностирования может быть изделие в целом или его составные части. Однако в большинстве случаев для сложных машин контроль одного или нескольких элементов малоэффективен, так как остается неизвестным состояние остальных частей машины. Поэтому в последние годы разрабатываются системы диагностирования для оценки работоспособности всех основных элементов и машины в целом.
Для этой цели, особенно для объектов с высокими требованиями к надежности, создаются сложные автоматизированные системы диагностики, которые при помощи датчиков измеряют большое число параметров машины, обрабатывают эти показания и делают заключение о работоспособности объекта.
Так, например, для самолетов применяются системы автоматического контроля его состояния не только во время ТО (регламентных работ), но и во время полета. При этом обработка и анализ диагностической информации осуществляются непосредственно на борту с выдачей необходимых указаний или команд экипажу [92]. Производится контроль порядка 800 элементов и устройств, информация о состоянии которых поступает в центральное контрольно-диагностическое устройство. Это устройство анализирует и сопоставляет текущие значения контролируемых параметров с допустимыми значениями и в случае обнаруженных отклонений выдает экипажу сведения о ненормально работающих узлах, агрегатах и блоках. В составе системы автоматизированного контроля имеются блоки памяти, библиотека необходимых указаний (до 10 000 шт.) и регистрирующее устройство для записи всех контролируемых параметров. Система может работать как автоматически, так и в полуавтоматическом режимах. Полуавтоматический режим позволяет бортинженеру самолета проверить работоспособность отдельных блоков или подсистем.
554
Автоматизированные диагностические системы существенно облегчают эксплуатацию машин, способствуют повышению безопасности их работы благодаря своевременному обнаружению возникающих повреждений и принятию необходимых мер по предотвращению опасных последствий.
Машина должна быть приспособлена для нужд диагностики — иметь встроенные приборы, оценивающие параметры машины (давление в гидросистеме, КПД, затрачиваемую мощность, точность движения, скорость и т. д.), или периодически подключаться к специальному устройству, осуществляющему контроль основных параметров машины и дающему заключение о ее состоянии.
2. Диагностические признаки. Для каждого изделия имеется большое число признаков (параметров), по которым можно судить о его техническом состоянии. Эти параметры и признаки можно разделить на три основные группы.
1.	Контролируются выходные параметры изделия или его узлов, которые определяют его работоспособность согласно установленным ТУ. Обычно эти параметры могут быть измерены тем или иным способом с использованием методов, применяемых для контроля готового изделия. Более доступен, как правило, контроль выходных параметров машины или ее функциональных узлов. Контроль выходных параметров дает ответ на вопрос о работоспособности изделия, но не определяет места и вида повреждения, приводящего к отказу.
2.	Контролируются повреждения, которые приводят или могут привести к отказу изделия. Величины износа, деформации, степень коррозии и т. п. также являются теми диагностическими признаками, по которым можно сделать вывод о техническом состоянии изделия. Они являются первопричиной отказа и связаны с выходными параметрами функциональной зависимостью (см. гл. 3, п. 1). Число этих признаков в сложной машине весьма велико и их одновременное диагностирование не представляется возможным. Поэтому контроль повреждений является обычно вторым этапом диагностики машины, после контроля ее выходных параметров, когда необходимо установить причины потери машиной работоспособности. Исключение могут составлять лишь те элементы, о которых заранее известно, что их повреждение является основной причиной изменения выходных параметров машины, например, состояние валков прокатных станов, износ цилиндропоршневой группы двигателя, коррозию резервуаров и т. д. следует контролировать непосредственно по степени повреждения, поскольку именно они определяют работоспособность машины.
В общем случает должен быть осуществлен поиск неисправностей. Например, методом последовательной проверки элементов или методом последовательных разбиений всего множества элементов на две части. В последнем случае процедура обнаружения места повреждения при сигнале о недопустимом изменении выходного параметра или отказе функционирования изделия заклю-555
чается в разделении всех возможных мест повреждений иа две части и контроле (в совокупности) работоспособности одной из них. Неисправную часть снова разбивают на две и продолжают анализ до тех пор, пока не будет обнаружено место повреждения. Оптимальная стратегия поиска может быть построена, если известны вероятности безотказной работы каждого элемента [81, 205].
3.	Контроль работоспособности изделия по косвенным признакам производится в случае, когда непосредственное измерение выходных параметров затруднительно или когда требуется интегральная характеристика состояния изделия. Эти признаки должны быть функционально связаны с работоспособностью изделия и отражать изменения, происходящие в машине.
Косвенными диагностическими признаками могут служить акустические сигналы, изменение температуры изделия, давления в системе, наличие в смазке продуктов износа (см. гл. 5, п. 4), параметры, характеризующие динамическое состояние системы (амплитудно-фазовые и частотные характеристики) и т. п.
Существенным преимуществом использования косвенных признаков является возможность оценки изделия в процессе его работы, или во всяком случае без разборки (при диагностировании в специальных условиях).
Недостаток этих методов заключается в наличии, как правило, стохастической связи между косвенными признаками и выходными параметрами и влиянии на диагностический сигнал посторонних факторов (шумов), не связанных с работоспособностью изделия. Тем не менее косвенные признаки работоспособности изделия широко применяются для нужд диагностики.
3.	Анализ диагностического сигнала. При осуществлении процесса диагностирования изделия выбираются те признаки и параметры, контроль которых дает наиболее объективные сведения о состоянии машины, а затраты на создание данной системы технического диагностирования экономически целесообразны.
Датчики, измеряющие отдельные параметры машины, дают сигналы, на основе анализа которых необходимо сделать заключение о техническом состоянии объекта с указанием, при необходимости, места, вида и причин дефектов. Различные диагностические сигналы несут неодинаковую по объему информацию и поэтому требуется оценить возможности сигнала и выбрать наиболее целесообразную его форму.
Сигнал, по которому надо судить о значении признака (выходной параметр, степень повреждения или косвенный признак), может иметь различный характер. Наиболее простым является случай, когда показание датчика непосредственно характеризует состояние объекта, точность измерения достаточно велика и можно не учитывать влияния посторонних факторов. Здесь нахождение показаний прибора в допустимых пределах свидетельствует о работоспособности изделия, а по величине сигнала можно судить о близости к предельному состоянию.
556
Например, измерение давления в гидросистеме позволяет судить о ее правильном функционировании, так как падение давления ниже нормы свидетельствует о возрастании утечек (или о разрушении элементов при падении давления до нуля), а возрастание давления говорит о засорении или облитерации каналов, заклинивании плунжеров или других недопустимых явлениях.
Однако в ряде случаев, особенно при суждении об отказе по косвенным признакам, на сигнал может оказывать влияние не только степень повреждения элемента или узла, но и посторонние факторы (помехи), искажающие полученную информацию.
Например, при оценке работоспособности подшипника качения по температуре масла следует иметь в виду, что она может быть связана не только с износом подшипника, но и с повышенными нагрузками, влиянием внешних источников тепла, засорением гидросистемы подачи смазки и другими явлениями.
В этом случае для повышения достоверности показаний необходимо иметь группу признаков, характеризующих степень приближения к отказу — «синдром отказа», с тем, чтобы по их сочетанию судить о действительном состоянии объекта. Так, если при диагностике подшипника одновременно с измерением температуры контролировать и точность его вращения или уровень вибраций, то вероятность правильного диагноза значительно повысится.
Значительно большую информацию, чем показания датчика, дающего численное значение параметра, несет сигнал в виде функциональной зависимости. Такими сигналами будут, например, законы изменения усилий или крутящих моментов за цикл работы механизма или законы перемещения отдельных звеньев, вибрации, возникающие в системе, акустические характеристики и т. п. [25 ]. Анализ изменений, происходящих в законах движения, спектральный анализ процессов вибраций или акустических сигналов и другие методы оценки функций позволяют из одного сигнала выделить ряд составляющих, характеризующих состояние различных элементов или узлов изделия [641.
Таким образом, сигнал, выдаваемый в виде реализации некоторой закономерности, заменяет показания целого ряда приборов, определяющих дискретные значения отдельных параметров.
Приведем примеры анализа диагностических сигналов в виде функциональных зависимостей (рис. 175).
На Волжском автомобильном заводе (ВАЗ) применяется система диагностирования механизмов технологического оборудования (гидро- и пневмоприводов, поворотных столов, кривошипношатунных механизмов и др.), основанная на анализе закона их движения. Работа силовых механизмов оценивается по характеру временной зависимости для скорости ведомого звена v — f (/), которая сравнивается с эталонной характеристикой, полученной для работоспособного механизма. Характер отклонения данной реализации от эталонной кривой позволяет не только определить
557
Рис. 175. Анализ диагностических сигналов
состояние механизма, но и указать основные причины потери работоспособности.
В качестве примера на рис. 175, а и б приведены результаты диагностирования пневмоцилиндров и кривошипно-шатунных механизмов. Для пневмоцилиндров (рис. 175, а) отклонение от эталонной кривой 1 может быть связано с разрегулировкой дросселей и коммутационной аппаратуры (кривая 2), когда возникают наибольшие динамические нагрузки, с износом зеркала цилиндра (кривая 3) или с износом манжет (кривая 4), когда длительность цикла возрастает за счет утечек и падения скорости.
Для кривошипно-шатунного механизма, который приводится в действие через фрикционные муфты, отклонение от эталонного закона движения / (рис. 175, б) связано с нарушением условий 558
трения в тормозной или пусковой муфтах (кривые 2 и 3) или в обеих муфтах одновременно (кривая 4).
Применение данного метода диагностирования позволило резко снизить число аварийных отказов механизмов, уменьшить трудоемкость ремонта оборудования за счет более полного использования долговечности механизмов, когда легко оценить их техническое состояние.
Другим примером диагностирования состояния механизма по характеру закона изменения его выходных параметров в течение цикла могут служить работы, проведенные в ИМАШе по исследованию динамики многошпиндельных автоматов [6]. Одним из диагностических сигналов, несущих большую информацию о состоянии объекта, является запись крутящего (вращающего) момента Л4кр на валу распределительного вала автомата.
Распределительный вал, на котором помещены кулачки, передающие движение исполнительным механизмам автомата (суппортам, мальтийскому и фиксирующему механизмам для поворота шпиндельного блока и др.), воспринимает все нагрузки, действующие при его работе. По характеру кривой Мкр можно судить о работоспособности отдельных механизмов. В качестве примера на рис. 175, в приведены осциллограммы крутящего (вращающего) момента на участке холостого хода для трех автоматов, находящихся в различном техническом состоянии. Хотя общий характер кривой Л4кр = f (ср) (ср — угол поворота распределительного вала) одинаков для всех автоматов, анализ и сравнение отдельных участков осциллограммы позволяют судить о состоянии целевых механизмов. Работа суппортов (участок / — отвод и участок IV — подвод) характеризуется хорошей регулировкой направляющих у автомата № 1 и значительным износом у автомата № 3.
Отрицательный пик Л4кр на участке II характеризует нагрузку на фиксатор при выводе его из гнезда шпиндельного блока. Период поворота блока от мальтийского креста (участок III) характеризуется повышенным трением в опорах у автомата № 2.
Таким образом, кривая изменения крутящего момента в течение цикла является диагностическим сигналом, характеризующим работоспособность автомата и его механизмов (см. также рис. 129).
В ряде случаев изучение траектории движения ведомого звена может дать сведения не только о работоспособности механизма, но и о причинах ее изменения. В качестве примера на рис. 175, г показана траектория движения суппорта станка по направляющим качения (по данным инж. И. Д. Салова). Характер траектории позволяет сделать вывод о недопустимом локальном износе зон контакта направляющих планок с роликами.
Более сложный случай наблюдается при такой форме диагностического сигнала, когда он содержит как систематические, так и случайные составляющие и в общем виде описывается некоторой 559
случайной функцией. Случайная функция является обычно нестационарной и неэргодической, а ее детерминированная составляющая для механизма имеет период, равный периоду цикла его работы [17].
В этом случае диагностирование слабых мест может быть осуществлено путем спектрального анализа случайной составляющей исследуемого параметра и разложением в ряд Фурье неслучайной составляющей.
Например, на рис. 175, д приведена спектрограмма реализации угловой скорости вращения ведомого шкива зубчато-ременной передачи главного агрегата промышленной швейной машины. Аргументом здесь является приведенная к одному из элементов
(О/
угловая частота = где со, и со0 — угловые скорости вращения ведомого и ведущего валов привода.
Анализ функции спектральной плотности (спектрограммы) показывает, что максимальный пик Ki связан с поперечными колебаниями ремня клиноременной передачи. Для уменьшения его вклада в флуктуацию исследуемого параметра (скорости вращения ведомого звена) необходимо увеличить жесткость ремня и установить натяжной ролик. Пик Л2 связан с биением вала подшипников и его величина растет по мере износа передачи.
Большую информацию о состоянии объекта обычно несут те диагностические сигналы, которые непосредственно связаны с функционированием изделия и отражают изменения ею состояния. К этой категории относятся акустические сигналы при работе различных механических систем, тепловые поля, показатели изменения давления в гидросистемах и др. При этом для диагностирования более широкие возможности часто получаются при одновременном анализе входных и выходных параметров механизма или агрегата. Это позволяет определить, где находится источник отклонений (флуктуаций) выходного параметра -- вне или внутри агрегата, а также установить взаимосвязь между изменениями в характере диагностического сигнала и работоспособностью изделия.
В качестве примера можно привести диагностику топливной аппаратуры автомобильных дизелей на основании анализа законов изменения давления топлива в нагнетательной магистрали (по исследованиям канд. техн, наук Т. X. Тастанбекова). Исследования показали, что наибольшую информацию несет диагностический сигнал при установке пьезодатчика у штуцера форсунки. Одновременное осциллографирование изменения этого давления и движения иглы и нагнетательного клапана, а также анализ развития факела топлива позволили выявить на осциллограмме впрыскивания топлива характерные точки и участки (рис. 175, е). Процесс подачи топлива продолжается всего около 0,005 с, но на кривой давления как функции угла поворота насоса можно выделить четыре участка: 1 — повышение давления в нагнетательном 560
трубопроводе перед впрыскиванием топлива, // — период впрыскивания, III—разгрузка нагнетательной магистрали, IV — период между впрыскиваниями. Импульсы давления pt и р2, наибольшее давление ртах и продолжительность цикла впрыскивания а связаны с состоянием механизмов системы. Так, об износе плунжерной пары можно судить по уменьшению величины первого импульса Pi и по изменению характера кривой давления в начальный период впрыскивания. Износ нагнетательного клапана приводит к увеличению цикла подачи и изменению характера осциллограммы. Так, износ его разгрузочного пояска приводит к сглаживанию первого и второго импульсов давления. Нарушение регулировки давления при подъеме иглы форсунки вносит изменение в диагностический сигнал на участках подъема и посадки иглы (соответственно конец I и // периодов). С увеличением затяжки пружины иглы возрастают импульсы давления рг и р2. Износ распылителя изменяет участок b диагностического сигнала. Амплитуда и количество импульсов остаточного давления рост зависят от герметичности нагнетательного клапана. Таким образом, данный диагностический сигнал несет обширную информацию о состоянии основных сопряжений и механизмов рассматриваемой системы.
Анализ и расшифровка диагностического сигнала могут дать достоверную информацию о близости измеряемого параметра к предельному состоянию и о причинах изменения начальных показателей качества.
4.	Диагностирование сложных объектов. При диагностировании сложных объектов, работоспособность которых характеризуется большим числом выходных параметров, возникает ряд дополнительных проблем:
необходимо установить номенклатуру основных диагностических сигналов с тем, чтобы они характеризовали работоспособность исследуемой машины;
по набору этих данных необходимо сделать суждение о техническом состоянии всей машины и о необходимости ее ремонта или о времени, в течение которого она сможет сохранить свою работоспособность;
необходимо разработать систему технического диагностирования, которая включает технические средства, а также алгоритм диагностирования, т. е. совокупность предписаний о проведении диагностирования, выбор метода диагностирования — функциональное или тестовое (ГОСТ 20911—75).
Эти вопросы решаются обычно на основе общих положений теории надежности с использованием моделей отказов (см. гл. 3), оценки предельного состояния изделия (см. гл. 3, п. 5) методов прогнозирования изменений состояния объекта (см. гл. 4, п. 4), изучения физики отказов (см. гл. 2) и других данных.
Разработке систем технического диагностирования предшествуют, как правило, исследования, устанавливающие связи между
19 Проников А. С.	561
характеристиками диагностических сигналов и состоянием ма шины. При этом учитывается, что диагностирование может быть функциональным, осуществляемым во время работы машины, когда действуют только рабочие нагрузки, и тестовым, при котором на объект подаются специальные воздействия и по реакции машины судят о ее техническом состоянии. Тестовые воздействия не должны влиять на правильность функционирования и работоспособность изделия.
При разработке систем и методов диагностирования сложного объекта основываются на аналитических или графоаналитических представлениях основных свойств изделия в виде так называемых диагностических моделей [126]. Они могут быть представлены в векторной форме, в виде системы'дифференциальных уравнений или передаточных функций, связывающих входные и выходные параметры. Для диагностической модели входным параметром X будет значение показателя качества изделия, а выходным параметром — диагностический сигнал S. В общем случае в векторной форме можно записать
5 = АХ,	(27)
где А — оператор, характеризующий те преобразования, которые необходимо осуществить с величинами X, чтобы получить S.
Раскрытие этих связей и разработка системы диагностирования сложного объекта могут осуществляться двумя основными способами или их комбинацией.
Первый путь диагностирования заключается в получении большого числа сигналов, характеризующих работу отдельных узлов и элементов машин, на основании которых делается заключение о состоянии машины. При тестовом методе диагностирования для получения необходимых диагностических сигналов надо выбрать вид и последовательность специальных воздействий на машину. Полученное от датчиков большое число разнообразных данных должно быть обработано по специальной программе с тем, чтобы определить ту категорию состояния, в которой находится машина, и те действия, которые необходимо предпринять, чтобы восстановить ее работоспособность.
Для этой цели с успехом применяется вычислительная техника, когда на вход ЭВМ подаются сигналы датчиков, которые преобразуются в цифровой код.
Вычислительная машина может по специальной программе задать испытываемому изделию определенный режим работы (при тестовых испытаниях), сравнить показания датчиков с эталонными значениями, хранящимися в ее памяти, выбрать результат диагноза в виде специальных карт, в которых, кроме указания поврежденных деталей содержатся инструкции по их ремонту [136].
562
Для оценки состояния изделия по многим показателям может быть использована теория распознавания незрительных образов, когда по совокупности значений множества параметров судят о принадлежности объекта к тому или иному классу, например, 1-й класс — объект работоспособен, 2-й класс — объект работоспособен, но требует подналадки, 3-й класс — объект не работоспособен и требует ремонта.
В «образ» объекта могут быть включены параметры, характеризующие его качество, спектры эксплуатационных нагрузок, характеристики окружающей среды, показатели оператора и другие компоненты, определяющие работоспособность изделия.
Второй путь диагностирования заключается в применении методов, которые позволяют судить о состоянии машины по параметрам какого-либо динамического процесса, связанного с функционированием механизмов и отражающим состояние машины. Такой процесс можно разложить на составляющие и получить необходимую информацию о работоспособности отдельных механизмов. При этом в принципе возможно использовать всего один преобразователь или, во всяком случае, ограниченное число диагностических сигналов. Примером такого подхода могут служить рассмотренные выше методы (см. рис. 175), а также методы акустической диагностики механических систем.
При работе механизмов происходят удары, возбуждающие в материале упругие колебания, которые регистрируются соответствующими датчиками. Поскольку при возбуждении колебаний одновременно всеми кинематическими парами машины образуется единое волновое поле, основная задачи при диагностировании этим методом заключается в разделении суммарного сигнала на составляющие так, чтобы можно было оценить вклад каждой кинематической пары.
В большинстве механизмов решение этой задачи облегчается тем, что каждая кинематическая пара характеризуется определенной частотой импульсов, зависящей от типа механизма, от скорости или периодичности его работы, а также от длительности существования этих импульсов.
Кроме того, между интенсивностью импульсов и состоянием пары имеется, как правило, функциональная связь. Например, импульс силы от столкновения зубьев передачи зависит от ошибки шага зацепления.
При изменении шага зацепления от износа или деформации зубьев колес соответственно изменится и диагностический сигнал датчика, регистрирующий его величину.
Регистрация колебаний и спектральный анализ возникающего сигнала позволяет получить характеристику отдельных элементов механизма и по ним сделать заключение о его работоспособности.
5.	Структура системы диагностирования. Системы, предназначенные для диагностирования, несмотря на свое разнообразие и 19*	563
Рис. 176. Структурная схема диагностики технических объектов
уровень развития, имеют общие черты и одинаковый характер решаемых задач. Особенно высокого совершенства достигли автоматизированные системы с использованием ЭВМ и с решением в процессе диагностирования логических задач с учетом вероятностных характеристик диагностических сигналов.
В общем виде можно представить следующую структурную схему диагностики технических объектов, рассмотренную в работе [126] (рис. 176). Датчики (преобразователи), установленные на объекте диагностирования, передают разнообразные сигналы, которые преобразуются в электрические величины и поступают в блок для обработки этой информации и оценки состояния изделия или характера изменения его параметров. Для всех сигналов, с которыми необходимо сравнивать поступающие диагностические сигналы, предусматривается массив допустимых (эталонных) значений.
Процесс сравнения может быть простым, когда устанавливаются допустимые границы для изменения параметра и фиксируется его нахождение в пределах допуска, и более сложным, ’ когда применяются операции, оценивающие степень отклонения измеряемого параметра от номинала, скорость и характер процесса изменения параметра с течением времени и другие его характеристики.
В некоторых случаях, чтобы оценить техническое состояние объекта, на него подаются специальные тестовые воздействия, т. е. формируются стимулирующие сигналы и направляются в объект диагностирования для оценки его реакции. Результаты этого анализа могут быть использованы для дальнейшего управ-564
ления процессом диагностирования. Для этого в системе автоматического диагностирования предусматривается блок регистрации получаемых данных и логическое устройство для принятия решений по управлению процессом диагностирования.
Для повышения достоверности получаемых данных осуществляется самоконтроль путем повторного выполнения отдельных операций и сравнения полученных данных. Этот же блок может выполнять функции статистической обработки этих данных и получения средних значений, дисперсии и других характеристик измеряемых величин.
Данная схема может быть реализована с различной степенью автоматизации, с концентрацией всех операций в одной системе или разбивкой ее на отдельные блоки и установки. Последнее связано с характером объекта, его размерами, возможностями получения данных во время работы, требуемой частотой проверки и другими факторами.
Применение средств технической диагностики способствует повышению безотказности работы машин, так как контролируется их фактическое состояние, и сокращению затрат на ремонт за счет более точного использования долговечности изделия и осуществления ремонта по потребности.
Диагностика является важным элементом системы эксплуатации машин и управления их качеством и надежностью.
5. Основные пути повышения надежности машин
1.	Повышение сопротивляемости машин внешним воздействиям. Методы и возможности по повышению надежности машин весьма разнообразны и связаны со всеми этапами проектирования, изготовления и эксплуатации машин. Проводимые в этой области мероприятия разделяются на несколько генеральных направлений.
Одно из основных направлений — это повышение стойкости изделий к внешним воздействиям. Сюда относятся методы создания прочных жестких, износостойких узлов за счет их рациональной конструкции, применение материалов с высокой прочностью, износостойкостью, антикоррозионностью, теплостойкостью и др.
Это направление объединяет все новейшие достижения в области конструирования и технологии, которые позволяют увеличивать стойкость узлов и механизмов по отношению к воздействиям, которые характерны для данного типа машин.
Эти методы тесно связаны с задачами, встающими перед конструкторами, технологами и эксплуатационниками не только в связи с надежностью, но и при необходимости обеспечивать заданные технические характеристики изделия, повышать производительность и быстроходность машин, уменьшать их габариты и металлоемкость.
565
.К методам повышения сопротивляемости машины внешним воздействиям относятся, например, рассмотренные выше выбор износостойких материалов (см. гл. 5, п. 5), уменьшение нагрузок, действующих на механизм (см. гл. 8, п. 5), применение упрочняющей технологии (см. гл. 10, п'. 2), исключение влияния технологической наследственности (см. гл. 10, п. 5) и др.
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 колебании температуры и т. д.
Если к этому прибавить, что всегда имеются источники внешних и внутренних воздействий на машину (см. гл. 1, п. 3) и что требования к ее выходным параметрам все время повышаются, можно сказать, что указанные методы повышения надежности необходимы, но недостаточны. Они ограничены уровнем развития той или иной области техники.
2.	Изоляция машин от вредных воздействий.. Другой путь повышения надежности работы машин и изделий, это их изоляция 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.
Во всех этих случаях создаются более благоприятные условия для работы машины. Например, создание цехов с постоянными температурой и влажностью и со 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 по изоляции машины от внешних воздействий также ограничены, они требуют, как правило, больших затрат, не всегда исключают основные причины, снижающие надежность машины. Кроме того, всегда имеются внутренние источники возмущений (вибрации самой машины, тепловыделения в узлах и механизмах и т. п.), влияние которых трудно изолировать.
3.	Создание оптимальной конструкции машины, С позиций надежности оптимальной будет такая конструкция машины и ее 566
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.
Затраты на повышение надежности можно распределить так, чтобы получить наибольший эффект, а во многих случаях добиться повышения надежности не за счет дополнительных затрат, а путем применения рациональных конструктивных решений. Так, например, выбор оптимальных размеров узла трения обеспечит более длительное сохранение им точности (см. гл. 7, п. 5), выбор схемы механизма и допусков на сопряженные поверхности сократит период макроприработки (см. гл. 8, п. 3), рациональный выбор типа механизма и расчет его на износ позволит при прочих равных условиях добиться более равномерного износа и меньшего его влияния на выходные параметры изделия (см. гл. 6) и т. п.
В основу выбора рациональной конструкции должен быть положен расчет, связывающий изменение выходных параметров и изделия с процессами повреждения. Только раскрытие этих взаимосвязей позволит находить такие решения, когда износ, усталость, деформация, коррозия и т. п. будут оказывать минимальное влияние на выходные параметры изделия. Одновременно конструкция должна быть рациональной с точки зрения ее ремонтопригодности — приспособленности машины к быстросмен-ности малостойких узлов (см. гл. 12, п. 3), к диагностированию (см. гл. 12, п. 4), к легкому осуществлению сборочно-разборочных работ (см. гл. 12, п. 2). Все основные параметры и характеристики конструкции машины непосредственно связаны с показателями ее надежности.
4.	Применение автоматики для повышения надежности машин. Проблема надежности машин- возникла в первую очередь в связи с развитием автоматизации, с необходимостью обеспечить бесперебойную работу и взаимодействие механических, электрических, гидравлических и других устройств.
Поэтому невольно создавалось впечатление, что с позиций надежности автоматизация является «неизбежным злом», так как приводит к появлению сложных, высокопроизводительных и энергонапряженных систем. Такой взгляд будет в известной мере верен лишь до тех пор, пока для решения задач, связанных с повышением долговечности и безотказности машин, привлекается только тот арсенал средств, который применим и для обычных неавтоматизированных машин.
Конечно, для машин-автоматов еще более важно, чем для обычных машин, совершенствовать качество применяемых материалов, методы смазки, конструктивные формы деталей и узлов. Однако имеется еще одно мощное средство для решения проблемы надежности. Это средство — применение самой автоматики для обеспечения длительного выполнения машиной своего служебного назначения в разнообразных условиях эксплуатации.
567
Применение в машинах-автоматах развитых систем управления, расширение и качественное изменение функций, выполняемых автоматом, проникновение идей технической кибернетики в принципы действия машин, — это все позволяет осуществлять широкое использование средств автоматики в новом аспекте.
Создание самонастраивающихся и саморегулируемых 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, не опасаясь как внешних воздействий, так и процессов, происходящих в самой машине. В настоящее время эти тенденции начинают осуществляться на практике (см. гл. 10, п. 4).
Автоматика также необходима для обеспечения качества и надежности современных сложных машин, как и для выполнения ими рабочих функций.
Применение принципа саморегулирования, при котором машина при помощи специальных устройств автоматически восстанавливает утраченные функции и реагирует на внешние возмущения, является перспективным при создании сложных машин и систем.
Сказанное о различных путях повышения надежности изделий проиллюстрировано на рис. 177, на котором показана схема перемещения стола прецизионного станка по направляющим скольжения.
Высокие требования к точности перемещения и к долговечности системы заставляют применять указанные выше методы.
Стойкость по отношению к износу достигается не только за счет применения для направляющих специальных легированных чугунов, а главное путем применения гидростатической смазки, создающей постоянный слой масла между направляющими. Так как в случае засорения смазки могут создаться условия для абразивного износа, направляющие изолируются от внешней среды специальными щитками в виде мехов.
Принцип изоляции воплощен также в том, что прецизионный станок для предотвращения тепловых деформаций станины и стола устанавливается в термоконстантном цехе.
Однако этих методов может оказаться недостаточно при высоких требованиях к выходным параметрам системы. Так, при изменении температуры в гидросистеме станка и внешних нагрузок будут'изменяться силы трения в направляющих и толщина масляной пленки ft и за счет этого уменьшается точность перемещения и установки стола. Для повышения точности и надежности данного узла может быть применена система автоматической подналадки (см. рис. 177) [137].
568
Рис. 177. Схема повышения надежности прецизионного узла трения
Датчик Д измеряет силу трения и передает сигнал в сравнивающее устройство СУ. Из сравнения этого сигнала с сигналом задатчика ЗД возникает сигнал рассогласования, который после усиления подается на микросерводвигатель ЭД, управляющий регулируемым дросселем ДР. За счет этого осуществляется регулирование давления в кармане направляющих, создаваемое гидронасосной станцией ГС.
При всяком отклонении режима трения от заданного система регулирования обеспечивает соответствующую подналадку и стабилизацию сил трения. Это существенно повышает надежность работы системы и в первую очередь улучшает параметры точности перемещения и установки в широком диапазоне скоростей, нагрузок и температур.
5.	Создание машин с регламентированными показателями надежности. Если сравнить две одинаковые машины, но для первой известны основные параметры и показатели, определяющие ее надежность, а для второй эти данные отсутствуют, то возможности по эффективному использованию этих машин будут существенно отличаться друг от друга.
Для первой машины можно с наибольшим приближением к действительным потребностям запланировать объемы ремонтных работ и выбрать межремонтный период, а также рассчитать номенклатуру и число запасных частей и все необходимое для быстрого и качественного проведения ремонта. Для этой машины можно предусмотреть мероприятия, не допускающие непредвиденного выхода из строя отдельных элементов и узлов, особенно тех, нарушение в работе которых может привести к тяжелым последствиям. При известных характеристиках безотказности й долговечности машины и ее элементов можно указать наиболее эффективные мероприятия для повышения ее надежности.
Всего этого нельзя сделать для второй машины, где неизвестны характеристики надежности и поэтому назначение параметров ремонтной системы и мероприятий по повышению надежности невозможно оптимизировать. Использование потенциальных возможностей этой машины будет далеко неполным, особенно, если существует опасность отказа ответственных узлов и элементов.
569
Таким образом, информация о надежности изделия имеет не меньшую ценность, чем достижение данного уровня. Предвидение возможных отказов, регламентация показателей надежности и условий эксплуатации, знание номенклатуры быстроизнашиваю-щихся частей, возможность сравнительно просто получить информацию о действительном состоянии машины, наличие гарантии, что параметры машины не изменятся быстрее, чем это предусмотрено ТУ, — все это является основой для решения практиками вопросов надежности при использовании машины в разнообразных условиях эксплуатации.
Конечно, здесь речь идет не о детерминированной задаче, когда известны все основные сроки службы элементов или скорости процессов потери машиной работоспособности, что в принципе невозможно. Под информацией о надежности и регламентацией ее показателей понимается, как это следует из всего вышеизложенного, знание законов распределения сроков службы (наработки), законов распределения скоростей изнашивания (или других процессов старения), характеристик начального состояния машины и всех тех данных, которые определяют область работоспособности машины и вероятность нахождения машины в заданном состоянии. В настоящее время реальная ситуация при эксплуатации машин, особенно новых моделей, такова, что ее характеристики надежности определены лишь приблизительно или их вообще нет, нет гарантированного соблюдения их значений, и только статистика, задним числом, после длительной эксплуатации большого числа машин данного типа, позволяет выявить действительные показатели надежности.
Поэтому расчет и прогнозирование надежности, регламентация и обеспечение показателей надежности, нормирование скоростей протекания процессов старения, определение еще на стадии проектирования и уточнение на стадии создания опытного образца машины областей ее работоспособности и состояний — все эти условия необходимы для решения коренных задач надежности.
Поведение машины в процессе эксплуатации должно перестать быть загадкой для ее создателей, так как «предвидеть события — значит управлять ими».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Направления дальнейших исследований в области надежности машин
Наука о надежности машин сделала свои первые шаги. Очерчен круг вопросов, которыми она занимается, создана методология этой отрасли знаний, разработаны многие коренные вопросы оценки, расчета и прогнозирования надежности, позволяющие уже сейчас получать экономический эффект от их применения в практике.
Однако осталось еще много как крупных проблем, так и отдельных вопросов, которые ждут своего разрешения.
Необходимо трансформировать общие решения для отдельных категорий машин, учитывая их специфику. Надо активнее использовать достижения физики отказов и стимулировать получение таких зависимостей, которые могут быть основой при построении моделей отказов. Следует шире использовать возможности ЭВМ при прогнозировании надежности. Разработки, связанные с созданием комплексных программ обеспечения надежности, технологическим аспектом надежности, испытанием на надежность, и другие требуют своего развития и совершенствования.
Ниже перечислены те проблемы, которые, по мнению автора, являются первоочередными для дальнейших исследований по надежности машин и представляют самостоятельные и новые направления в данной области.
Эти проблемы вытекают из положений, рассмотренных в данной книге.
1.	Разработка моделей параметрических отказов. Дальнейшее развитие идей о взаимодействии машины со средой как системы автоматического регулирования, учет обратных связей «процессы — выходные параметры машины», оценка взаимодействия параметров и других особенностей потери работоспособности сложных систем позволит разработать более совершенные модели отказов разнообразных машин и изделий. Эти модели должны учитывать внутренние связи и внешние воздействия, характерные для данной категории машин и, опираясь на общие принципы формирования отказов, давать основу для разработки алгоритмов по оценке надежности сложных изделий.
2.	Динамика медленных процессов. Этот новый раздел науки должен изучать те изменения в узлах и элементах машины (т. е. их движение в широком смысле), которые происходят в течение длительных промежутков времени в результате воздействий на машину различных источников энергии. Эти процессы являются
571
причиной отказов машины и изменения ее состояния со временем. Для решения задач, связанных с надежностью, можно с успехом использовать фундаментальные принципы динамики машин и теории автоматического управления, трансформируя их для оценки медленно протекающих процессов. При этом в первую очередь надо учитывать большую инерционность систем, возрастание периодичности внешних воздействий, взаимодействие обратимых и необратимых процессов, малую скорость процессов.
Все это приведет к изменению представлений о передаточных функциях, об устойчивости системы, точности ее функционирования и других-характеристиках и к необходимости разработки соответствующего математического аппарата. Развитие этого направления позволит в общей форме решать ряд сложных задач надежности.
3.	Прогнозирование надежности сложных систем. Это направление является ключевым для решения основных задач, связанных с оценкой надежности на стадии проектирования и наличия опытного образца машины. Для различных категорий машин необходимо дальнейшее развитие и воплощение идей о прогнозировании надежности на основе моделей отказов, которые фазируются на закономерностях процессов повреждения (физики отказов) с учетом их вероятностной природы. Перспективным является использование методов статистического моделирования, когда учитываются вероятностные характеристики режимов и условий работы машины, внешних воздействий и протекающих процессов старения. Особенно актуальны еще недостаточно разработанные методы прогнозирования надежности с учетом процессов изнашивания, которые являются основной причиной отказов многих машин. Особую проблему представляет изучение надежности комплексов «машина — автоматическая система управления», так как взаимодействие механических и электронных систем порождает ряд новых аспектов теории надежности.
4.	Нормирование показателей надежности. Разработка нормативов для показателей безотказности и долговечности всей машины, регламентация скоростей процессов, предельных состояний машины и ее элементов, запасов надежности, скорости изменения выходных параметров — необходимое условие для эффективного использования машин.
Базой для решения этих вопросов является экономический фактор, оценивающий последствия отказов и выступающий в качестве критерия для оптимизации требований к показателям надежности. Самостоятельными областями исследований могут явиться развитие методов расчета предельных состояний отдельных элементов и изделия в целом, а также разработка квалиметрии повреждений — методов численной оценки степени повреждений, различных по своей природе и характеру.
5.	Влияние износа на динамические параметры машины. Если влияние износа на изменение геометрических и кинемати-572
ческих параметров машин изучено более полно, то изменение динамических характеристик машин при их износе находится в начальной стадии исследований. Вместе с тем для многих машин, особенно быстроходных и тяжелонагруженных, именно динамика лимитирует допустимые величины износов и ресурс изделия. Связь износа с динамическими характеристиками достаточно сложна, так как в уравнениях динамики появляются члены, зависящие от времени и имеющие случайную природу. Раскрытие этих закономерностей позволит объяснить многие сложные явления, связанные не только с изменением выходных параметров машины во времени, но и с отказами функционирования из-за разрушения ее элементов. Последнее часто является следствием возрастания динамических нагрузок в машине при износе ее элементов.
6.	Разработка систем информации о надежности из сферы ремонта. Разработка систем информации о надежности изделий из сферы их эксплуатации — большое достижение для управления надежностью, оценки тенденций ее изменения и достигнутого уровня. Однако, чем выше требования к безотказности изделий, Тем меньше информации поступает из сферы эксплуатации. Необходимо создание специальных систем информации о степени повреждения элементов ремонтируемых изделий, не достигнувших предельного состояния и не имеющих отказов, для недопущения которых и производится их ремонт. Этот мощный источник информации, который в настоящее время практически не применяется, позволит оценить степень использования потенциальных возможностей изделия по надежности и обоснованно назначить ресурс для машины и ее агрегатов.
7.	Испытание на надежность сложных систем. Наличие одного-двух опытных образцов сложных систем и их высокая безотказность исключают применение традиционных методов испытания на надежность, применяемых для относительно простых изделий. Развитие методов испытания в сочетании с прогнозированием и использованием априорной информации, разработка алгоритмов по оценке надежности с учетом постоянно поступающей информации о фактическом состоянии изделия, выявление экстремальных реализаций потери изделием работоспособности, сочетание испытания со статистическим моделированием, оценка и прогнозирование ведущих процессов старения — все это является основой для разработки методик испытаний сложных объектов, позволяющих на ранних стадиях создания новых изделий получить информацию об уровне их надежности.
8.	Анализ надежности технологического процесса. Технологический процесс должен обеспечить устойчивое формирование всех параметров изделия, которые определяют его надежность. Анализ с этих позиций структуры технологического процесса, применяемых методов и режимов обработки, методов контроля, учет остаточных и побочных явлений, связанных с обработкой и
573
сборкой изделий, оценка технологической наследственности, использование принципов адаптации и саморегулирования позволят применять наиболее эффективные решения для обеспечения надежности изделий при их производстве. Рассмотрение надежности технологического процесса как сложной динамической системы является новым направлением как в технологии машиностроения, так и в теории надежности машин.
9.	Оптимизация системы ремонта технического обслуживания. Поддержание и восстановление работоспособности машин является сложным процессом, зависящим от многих факторов — конструкции машины, методов ее эксплуатации, организации системы ремонта и технического обслуживания, экономических факторов. Выявление рациональных методов ремонта и Т. О. связано с их оптимизацией, в первую очередь, по критерию экономичности, что требует учета вероятностных процессов потерн машиной работоспособности и реальных возможностей по ее восстановлению. Правильная организация системы ремонта и обслуживания может при тех же затратах значительно повысить Эффективность использования сложных технических устройств и машин.
10.	Использование автоматики для обеспечения надежности машин. Хотя использование средств и методов автоматики для стабильного поддержания параметров машин, независимо от внутренних процессов и внешних воздействий, уже началось, масштабы этих исследований и разработок явно недостаточны.
Создание кибернетических систем, предотвращающих вредные последствия процессов, протекающих в машине, воплощение принципа адаптации и саморегулирования не только для рабочих функций машины, но и для сохранения ее качественных показателей — перспективное направление для сложных машин и систем, работающих в напряженных условиях эксплуатации.
Широкий фронт исследовательских и конструкторских работ в области надежности различных машин, развитие перспективных направлений в этой области являются залогом успешного решения одной из сложнейших проблем машиностроения — обеспечения с минимальными затратами времени и средств необходимого уровня надежности машин и изделий.'
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
I.	Авдонькин Ф. Н. Изменение технического состояния автомобиля в процессе эксплуатации. Изд. Саратовского университета, 1973, 192 с.
2.	Алексеев П. Г. Машинам быть долговечными. Тула. Приокское кн. издательство, 1973. 136 с.
3.	Амалицкий В. В. Надежность деревообрабатывающего оборудования. М., «Лесная промышленность», 1974. 158 с.
4.	Антипов В. В. Износ прецизионных деталей и нарушение характеристик топливной аппаратуры дизелей. М., «Машиностроение», 1972. 176 с.
5.	Артоболевский И. И., Лощинин В. С. Динамика машинных агрегатов на предельных режимах движения. М., «Наука», 1977. 325 с.
6.	Артоболевский И. И., Нахапетян Е. Г. Комплексное исследование динамики автоматов в производственных условиях. АН СССР, — «Машиноведение», 1970, № 4, с. 41—48.
7.	Ахматов А. С. Молекулярная физика граничного трения. М., Физматгиз, 1963. 472 с.
8.	Базилевский А. Н. Аналитическая зависимость интенсивности ощущения вращения от угловой скорости. — В кн.: Вопросы авиационной эргономики. Вып. I, Киев, 1972, с. 64—68.
9.	Базовский И. Надежность, теория и практика. М., «Мир», 1965. 373 с.
10.	Бартенев Г. М., Лаврентьев В. В. Трение и износ полимеров. М.—Л.» «Химия», 1972. 240 с.
II.	Белобрагин В. fl. Управление качеством труда и продукции в территориальном разрезе. М., Издательство стандартов, 1976. 264 с.
12.	Бешелев С. Д., Гурвич Ф. Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. М., «Статистика», 1974. 1§9 с.
13.	Билик Ш. М. Макрогеометрия деталей машин. М., «Машиностроение», 1973. 344 с.
14.	Бойцов Б. В. Надежность шасси самолета. (Прогнозирование на основе комплексного метода исследований). М., «Машиностроение», 1976. 216 с.
15.	Бойцов В. В. Механизация и автоматизация в мелкосерийном и серийном производствах. Комплексная стандартизация элементов производственных процессов в машиностроении. М., «Машиностроение», 1971. 416 с.
16.	Борисов М. В., Павлов И. А., Постников В. М. Ускоренные испытания машин на износостойкость, как основа повышения их качества. М., Издательство стандартов, 1976. 352 с.
17.	Бринкис Ю. Р., Гутман Б. А. Статистический анализ параметров механических систем при наличии периодической составляющей. — «Точность и надежность механических систем», № 2, Рига, 1975, с. 30—40.
18.	Бруевич Н. Г. Надежность, долговечность, точность. В кн. О надежности сложных технических систем», «Сов. радио», 1966, с. 7—26.
19.	Бруевич Н. Г., Сергеев В. И. Основы нелинейной теории точности и надежности устройств. М., «Наука», 1976. 136 с.
20.	Бугаков И. И. Ползучесть полимерных материалов. Теория и приложения. М., «Наука», 1973. 287 с.
21.	Бусленко Н. П. Моделирование сложных систем.'М., «Наука», 1969. 576 с.
22.	Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М., «Наука», 1969. 576 с.
23.	Вероятностные характеристики прочности авиационных материалов и размеров сортамента. Под ред. С. О. Охапкина. М., «Машиностроение», 1970.
565 с.
575
24.	Вероятностный анализ процесса изнашивания. М., «Наука», 1968, 56 с. Авт.: X. Б. Кордонский, Г. М. Харач, В. П. Артамоновский, Е. Ф. Непомнящий.
25.	Вибрационная диагностика мощных турбо- и гидрогенераторов. Под ред. Р. Л. Геллера и др. М., «Энергия», 1975. 113 с.
26.	Виноградова И. Э. Противоизносные присадки к маслам. М., «Химия», 1972. 164 с.
27.	Волков Е. Б., Судаков Р. С. и Сырицын Т. А. Основы теории надежности ракетных двигателей. М., «Машиностроение», 1974. 399 с.
28.	Волков Л. И., Шишкевич А. М. Надежность летательных аппаратов. М., «Высшая школа», 1975. 294 с.
29.	Волков П. Н., Аристов А. И. Ремонтопригодность машин. М., «Машиностроение», 1976. 368 с.
30.	Волченко В. Н. Оценка и контроль качества сварных соединений с применением статистических методов. М., Издательство стандартов, 1974. 160 с.
31.	Волчкевич Л. И. Надежность автоматических линий. М., «Машиностроение», 1968. 308 с.
32.	Волчкевич Л. И., Усов Б. А. Автооператоры. М., «Машиностроение», 1974. 214 с.
33.	Вопросы авиационной эргономики. Вып. I. изд. Киевского института инженеров гражданской авиации, Киев, 1972. 102 с.
34.	Вопросы исследования надежности и динамики элементов подвижного состава железных дорог и подъемно-транспортных машин. Под ред. Л. Н. Никольского. Брянск, ПриЪкское кн. издательство, 1974. 208 с.
35.	Вопросы технологической надежности. Под ред. И. В. Дунина-Барковского. М.» Издательство стандартов, 1974. 156 с.
36.	Воробьев Б. М., Бурчаков А. С., Шибаев Е. В. Надежность технологических схем и процессов угольных шахт. М., «Недра», 1975. 238 с.
37.	Гаркунов Д. Н., Крагельский И. В., Поляков А. А. Избирательный перенос в узлах трения. М., «Транспорт», 1969. 104 с.
38.	Гаркунов Д. Н., Поляков А. А. Повышение износостойкости деталей конструкций самолетов. М., «Машиностроение», 1974. 198 с.
39.	Германчук Ф. К. Долговечность и эффективность тормозных устройств. М.» «Машиностроение», 1973. 176 с.
40.	Герцбах И. Б., Кордонский X. Б. Модели отказов. М., «Сов. радио», 1966. 166 с.
41.	Гинцбург Б. Я. Теория и расчет поршневых колец. М., «Машгиз», 1945. 123 с.
42.	Гнеденко Б. В. О статистических методах и теории надежности, изд. Кн. Основные вопросы надежности и долговечности машин, МАТИ, 1969, с. 22—42.
43.	Гнеденко Б. В., Беляев Ю. К., Соловьев А. Д. Математические методы в теории надежности. М., «Наука», 1965. 524 с.
44.	Голего Н. Л., Алябев А. Я., Шевеля В. В. Фреттинг-коррозия металлов. Киев, «Техника», 1974. 268 с.
45.	Грибайло А. П., Модлинский А. И., Акулин Н. В. Стенд для исследования износостойкости пары ходовой винт—гайка. — «Станки и инструмент», 1972, № 11, с. 21.
46.	Григорьев М. Ач Пономарев Н. Н. Износ и долговечность автомобильных двигателей. М., «Машиностроение», 1976. 248 с.
47.	Гриневич Г. П., Каменская Е. А. Надежность погрузочно-разгрузочных машин. М., «Транспорт», 1974. 200 с.
48.	Гришко В. А. Повышение износостойкости зубчатых передач. М., «Машиностроение», 1977. 232 с.
49.	Дальский А. М. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин. М., «Машиностроение», 1975. 224 с.
50.	Дербишер А. В. Технологические методы управления качеством продукции. М., «Издательство стандартов», 1971. 192 с.
51.	Дерябин А. А. Смазка и износ деталей. Л., «Машиностроение», 1974. 183 с.
52.	Детали и механизмы станков. Под ред. Д. Н. Решетова. М., «Машиностроение», 1972. т. 1, 664 с., т. 2. 520 с.
576	'
53.	Дефектоскопия деталей локомотивов и вагонов. Под ред. Ф. В. Левыкина. М., «Транспорт», 1974. 238 с.
54.	Демкин И. Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М., «Наука», 1970. 227 с.
55.	Долецкий В. А., Григорьев М. А. Конструкторско-технологические методы обеспечения надежности двигателей. М., Издательство стандартов, 1973. 58 с.
56.	Дриц М. Е., Проникова Т. А. Влияние структуры цериевых чугунов на их износостойкость. — «Металловедение и термическая обработка металлов», 1975, № 4, с. 70—72.
57.	Дружинин Г. В. Надежность автоматизированных систем. М., «Энергия*, 1977. 536 с.
58.	Дубовиков Б. А. Основы научной организации управления качеством. М., «Экономика», 1966. 319 с.
59.	Дунин—Барковский И. В. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М., «Машиностроение», 1975. 332 с.
60.	Елизаветин М. А. Повышение надежности машин. М., «Машиностроение», 1973. 432 с.
61.	Ермолаев Н. Н., Михеев В. В. Надежность оснований сооружений. Л., «Стройиздат», 1976. 152 с.
62.	Ермолин Н. П., Жерихин И. П. Надежность электрических машин. Л., «Энергия», 1976. 248 с.
63.	Жук Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М., «Металлургия», . 1976. 472 с.
64.	Звиедрас А. В., Салениекс Н. К. Спектральное исследование динамической точности механических систем. — В кн.: Точность и надежность механических систем. Вып. 1, Изд. РПИ, Рига, 1974, с. 63—72.
65.	Зорев Н. И. Влияние природы износа режущего инструмента на зависимость его стойкости от скорости резания. — «Вестник машиностроения», 1965, № 2, с. 68—75.
66.	Иванова В. С., Терентьев В. Ф. Природа усталости металлов. М., «Металлургия», 1975. 455 с.
67.	Иванченко Н. Н., Скурдин А. А., Никитин М. Д. Кавитационные разрушения в дизелях. Л., «Машиностроение», 1970. 152 с.
68.	Износостойкость. Под ред. А. А. Благонравова и Р. М. Матвеевского. М., «Наука», 1975. 188 с.
69.	Исследование водородного износа. М., «Наука», 1977. 84 с.
70.	Исследование динамики и прочности вагонов. Под ред. С. И. Соколова. М., «Машиностроение», 1976. 223 с.
71.	Исследование структуры фрикционных материалов при трении. М., «Наука», 1972. 132 с.
72.	Истомин Н. П., Хрущов М. М. Исследование антифрикционных свойств композиций фторопласта-4 с графитом в зависимости от ориентации плоскостей спайности графита. — В кн.: Повышение износостойкости и срока службы машин. Вып. IV, Киев, «Наукова думка», 1970, с; 57—62.
73.	Ишлинский А. Ю. О проскальзывании в области контакта при трении качения. М., Изд. АН СССР ОТН, 1956, № 6, с. 3—15.
74.	Ишуткин В. И. Технологическая надежность системы СПИД. М., «Машиностроение», 1973. 128 с.
75.	Казакевич С. А., Козлов В. П., Писаренко А. П. Влияние некоторых сред на спонтанную ориентацию полимерных пленок. — Физико-химическая механика материалов. Т. 4, № 3, 1968, с. 247—252.
76.	Карташов Г. Д. О гипотезе Майнера и принципе Седякина. — Изв. АН СССР № 6, 1970, с. 71-73.
77.	Картышов А. В., Пенкин Н. С., Погодаев Л. И. Износостойкость деталей земснарядов. Л., «Машиностроение», 1972. 160 с.
78,	Качанов Л. М. Основы теории пластичности. М., «Наука», 1969. 420 с.
79.	Кемпинский М. М., Невельсон М. С., Старобик К. Б. Надежность автоматических средств обработки и контроля в машиностроении. Л., «Машиностроение», 1967. 184 с.
- 577
80.	Ковалев М. П., Народецкий М. 3. Расчет высокоточных шарикоподшипников. М., «Машиностроение», 1975. 279 с.
81.	Козлов Б., Ушаков И. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. М., «Сов. радио», 1975. 471 с.
82.	Комаров А. А. Надежность гидравлических устройств самолетов. М., «Машиностроение», 1976. 224 с.
83.	Комбалов В. С. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ. М., «Наука», 1974. 112 с.
84.	Комплексная оценка качества промышленной продукции. Под ред. А. В. Гли-чева. М., «Экономика», 1975. 183 с.
85.	Комплексная система управления качеством продукции. Рекомендации по разработке и внедрению в объединениях и на предприятиях. М.» Издательство стандартов, 1976. 208 с.
86.	Контактное взаимодействие твердых тел и расчет сил трения и износа. М., «Наука», 1971. 240 с.
87.	Контактные уплотнения вращающихся валов. М., «Машиностроение», 1976, 264 с. Авт.: Г. А. Голубев, Г. М. Кукин, Г. Е. Лазарев, А. В. Чичинадзе и др.
88.	Контроль качества продукции машиностроения. Под ред. А. Э. Артеса. М., «Издательство стандартов», 1974. 448 с.
89.	Кораблев А. И., Решетов Д. Н. Повышение несущей способности и долговечности зубчатых передач. М., «Машиностроение», 1968. 288 с.
90.	Костецкий Б. И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев, «Техника», 1970. 396 с.
91.	Костоглодов И. Н., Бахметов И. Н. Система сбора информации о неисправностях техники в гражданской авиации. — «Надежность и контроль качества», 1974, № 7, с. 41—50.
92.	Косточкин В. В. Надежность авиационных двигателей и силовых установок. М., «Машиностроение», 1976. 248 с.
93.	Крагельский И. В. Трение и износ. М., «Машиностроение», 1968. 480 с.
94.	Крагельский И. В. Триботехника. Современное состояние и перспективы.— «Надежность и контроль качества», 1975, № 8, с. 3—9.
95.	Крагельский И. В., Харач Г. М. О расчете износа поверхностей трения. — В кн.: Расчетные методы оценки трения и износа. Брянск, Приокское кн. издательство, 1975, с. 5—47.
96.	Критический анализ и метод оценки отказов. Экспресс-информация — «Надежность и контроль качества», 1972, № 3, с. 1—8.
97.	Крылов К- А., Хаймзон М. Е. Долговечность узлов трения самолетов. М., «Транспорт», 1976. 183 с.
98.	Кугель Р. В. Долговечность автомобилей. М., Машгиз, 1961. 432 с.
99.	Кудинов В. А. Динамика станков. М., «Машиностроение», 1967. 360 с.
100.	Кузнецов Н. Д., Цейтлин В. И. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей. М., «Машиностроение», 1976. 214 с.
101.	Кузьмин Р. В. Техническое состояние и надежность судовых механизмов. Л., «Судостроение», 1974. 335 с.
102.	Кулаков Ю. М., Хрульков В. А., Дунин—Барковский И. В. Предотвращение дефектов при шлифовании. М., «Машиностроение», 1975. 144 с.
103.	Курицын А. Г., Петровский В. И. Многоместная инерционная машина для испытания подшипников скольжения. Авт. свид. № 179062 (кл. 42 к. 38/01). «Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки», № 4, 1966.
104.	Левина 3. М., Решетов Д. Н. Контактная жесткость машин. М., «Машиностроение», 1971. 264 с.
105.	Лемин Ю. И., Тарасенко В. А. Состояние и пути совершенствования системы технического обслуживания и ремонта авиационной техники. «Надежность и контроль качества», 1975, № 11, с. 32—40.
106.	Лихтман В. И., Щукин Е. Д., Ребиндер П. А. Физико-химическая механика металлов. М., Изд. АН СССР, 1962. 303 с.
107.	Лозовский В. Н. Надежность гидравлических агрегатов. М., «Машиностроение», 1974. 319 с.
578
108.	Лоповок Т. С. Волнистость поверхности и ее измерение. М., Издательство стандартов, 1973. 184 с.
109.	Майорова Л. А. Твердые неорганические вещества в качестве высокотемпературных смазок. Новое о твердых смазках. М., «Наука», 1971. 95 с.
ПО- Макаров^А. Д- Оптимизация процессов резания. М., «Машиностроение», 111. Малинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М., «Машиностроение», 1968. 400 с.
112.	Маслов Н. Н. Качество ремонта автомобилей. М., «Транспорт», 1975. 367 с.
113.	Маталин А. А. Технологические методы повышения долговечности деталей машин. Киев, «Техника», 1971. 144 с.
114.	Межотраслевая унификация и агрегатирование самоходных машин — орудий и автотранспорта. Под ред. В. В. Бойцова. М., Издательство стандартов, 1976. 448 с.
115.	Меламедов И. М. Физические основы надежности (Введение в физику отказов). Л., «Энергия», 1970. 152 с.
116.	Методические указания по информационному обеспечению системы управления качеством промышленной продукции. РДМУ-45—75. М., Издательство стандартов, 1975. 80 с.
117.	Методы количественной оценки качества продукции (квалиметрия). Труды XV конференции ЕОКК. М., Издательство стандартов, 1972. 196 с.
'118. Методы неразрушающих испытаний. Под ред. Р. Шарпа. М., «Мир», 1972. 494 с.
119.	Методы оценки долговечности трущихся сопряжений металлорежущих станков. Под ред. А. С. Проникова. Минск, «Наука и техника», 1976. 100 с.
120.	Методы повышения долговечности деталей машин. Под ред. В. Н. Ткачева. М., «Машиностроение», 1971. 272 с.
121.	Мизери А. А. Эксплуатация текстильного оборудования с деталями на пористых спеченных материалах. М., «Легкая индустрия», 1974. 174 с.
122.	Микрогеометрия и эксплуатационные свойства машин. Рига, «Зинатне», 1972. НО с.
123.	Миленко Н. П., Серюк А. В. Моделирование испытаний ЖРД. М., «Машиностроение», 1975. 184 с.
124.	Михаленко Ф. П. Стойкость разделительных штампов. М., «Машиностроение», 1976. 207 с.
125.	Мишин И. А. Долговечность двигателей. Л., «Машиностроение», 1976. 288 с.
126.	Мозгалевский А. В., Гасканов Д. В. Техническая диагностика. М., «Высшая школа», 1975. 208 с.
127.	Надежность и долговечность валков холодной прокатки. М., «Металлургия», 1976, 448 с. Авт.: В. П. Полухин, В. А. Николаев, М. А. Тылкин и др.
128.	Надежность и долговечность машин. Киев, «Техника», 1975, 405 с. Авт.: Б. И. Костецкий, И. Г. Носовский, Л. И. Бершадский, А. К. Караулов.
129.	Надежность и долговечность машин и оборудования. Опыт и теоретические исследования. Под ред. А. С. Проникова. М., Издательство стандартов, 1972. 316 с.
130.	Надежность строительных машин. М., Стройиздат, 1975, 296 с. Авт.: Г. П. Гриневич, Е. А. Каменская, А. К. Алферов и др.
131.	Невский А. А., Зайчук Л. С. Ремонтопригодность токарных станков. В кнл Повышение долговечности технологического оборудования при ремонте. М., МДНТП, 1971, с. 32-42.
132.	Никитин Г. А., Чирков С. В. Влияние загрязненности жидкости на надежность работы гидросистем летательных аппаратов. М., «Транспорт», 1969. 182 с.
133.	Новиков И. И. Дефекты кристаллического строения металлов. М., «Металлургия», 1975. 208 с.
134.	Основные вопросы надежности и долговечности машин. Под ред. А. С. Проникова. М., изд. МАТИ, 1969. 212 с.
135.	Основные вопросы теории и практики надежности. Под ред. А. И. Берга и др. М., «Сов. радио», 1975. 408 с.
579
136.	Павлов Б. В. Акустическая диагностика механизмов. М., «Машиностроение», 1971. 223 с.
137.	Панов Н. Н., Проников А. С., Равва Ж. С. Способ автоматической функциональной разгрузки направляющих скольжения узлов машин. Авт. св ид. № 174061. — Бюллетень изобретений, № 16, 1965.
138.	Петросянц А. А., Белоусов В. Я-> Саркисов В. С. Повышение долговечности деталей газонефтепромыслового оборудования. М., «Недра», 1976. 211 с.
139.	Петрусевич А. И. Контактная прочность деталей машин. М., «Машиностроение», 1970. 64 с.
140.	Пинегин С. В. Трение качения в машинах и приборах. М., «Машиностроение», 1976. 264 с.
141.	Поверхностная прочность материалов при трении. Под общ. ред. Б. И. Костецкого. Киев, «Техника», 1976. 292 с.
142.	Подзей А. В., Сулима А. М., Евстигнеев М. И. Технологические остаточные напряжения. М., «Машиностроение», 1973. 216 с.
143.	Подшипники из алюминиевых сплавов. М., «Транспорт», 1974, с. 256. Авт.: Н. А. Буше, В. А. Двоекина, К. М. Раков и др.
144.	Постников В. И. Радиоактивные изотопы в исследовании и автоматизации контроля износа. М., «Машиностроение», 1967. 140 с.
145.	Похмурский В. И., Карпенко Г. В. Характер распределения остаточных напряжений первого рода в поверхностных слоях сталей и сплавов с защитными покрытиями. — «Физико-химическая механика материалов?, Т. 4, № 4, 1968, с. 381—383.
146.	Проников А. С. Износ и долговечность станков. М., Машгиз, 1957, 275 с.
147.	Проников А. С. Методы расчета машин на износ. — В кн.: Расчетные методы оценки трения и износа. Брянск, Приокское кн. издательство, 1975, с. 48—97.
148.	Проников А. С. Основы надежности и долговечности машин. М., Издательство стандартов, 1969. 160 с.
149.	Проников А. С. Параметрическая надежность машин. М., «Знание», 1976. 46 с.
150.	Проников А. С. Повышение долговечности станочного парка. М., «Высшая школа», 1961. 156 с.
151.	Проников А. С. Перспективы научных исследований по надежности машины. — «Надежность и контроль качества», 1977, № 7, с. 3—9.
152.	Проников А. С. Проблемы надежности машин. — «Изв. вузов. Машиностроение», 1974, № 11, с. 5—13.
153.	Проников А. С. Расчет и конструирование металлорежущих станков. М., «Высшая школа», 1967. 431 с.
154.	Проников А. С. Расчет показателей надежности при постепенных (износных) отказах. — «Надежность и контроль качества», 1973, № 2, с. 3—13.
155.	Проников А. С. Содержание и основные направления науки о надежности и долговечности машин. — В кн.: Надежность и долговечность машин. М., Издательство стандартов, 1972, с. 23—62.
156.	Проников А. С. Способ автоматической подналадки положения рабочих органов станка. Авт. свид. № 189281. — «Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки», № 23, 1966.
157.	Проников А. С. Устройство для компенсации размерного износа плоских направляющих подвижных соединений частей машины на примере станков. Авт. свид. № 130314. — Бюллетень изобретений, № 14, I960.
158.	Проников А. С., Перминов А. Е. Методика расчета долговечности и изнашивания зубьев цилиндрических эвольвентных прямозубых колес. — «Надежность и контроль качества», 1973, № 12, с. 39—48.
159.	Проников А. С., Смолянкин Г. В. Классификация и расчет процессов макроприработки пар трения. — В кн.: Среда и трение в механизмах. Вып. 1. Таганрог, Изд. ТПИ, 1974, с. 91—99.
160.	Проников А. С., Юрин В. Н. Управление тепловыми деформациями металлорежущих станков с целью повышения их технологической надежности. — .«Надежность и контроль качества», 1973, № 10, с. 27—38.
580
161.	Проникова Т. А. Установка для исследования работоспособности механизмов текстильных машин. — «Механика и энергетика», № I, ЦНИИТЭИ, 1970, с. 3—10.
162.	Пылаев Н. И., Эдиль Ю. У. Кавитация в гидротурбинах. Л., «Машиностроение», 1974. 256 с.
163.	Работнов Ю. Н., Милей ко С. Т. Кратковременная ползучесть. М., «Наука», 1970. 222 с.
164.	Разрушение. Под ред. Г. Либовиц. Том 2. Математические основы теории разрушения. Пер. с англ. Под ред. А. Ю. Ишлинского. М., «Мир», 1975. 764 с.
165.	Расчет и испытание фрикционных пар. Под ред. А. В. Чичинадзе. М., «Машиностроение», 1974. 147 с.
166.	Ребиндер П. А. Влияние активных смазочных средств на деформирование сопряженных поверхностей трения. — В кн.: О природе трения твердых тел. Минск, «Наука и техника», 1971, с. 8—18.
167.	Рейш А. К», Соколов А. В. Долговечность опорных элементов пневмо-колесных экскаваторов. М., Стройиздат, 1976. 71 с.
168.	Рекомендации по разработке иа предприятиях комплексных систем управления качеством продукции на базе стандартизации. М., Издательство стандартов, 1975. 46 с.
169.	Рещиков В. Ф. Трение и износ тяжелонагруженных передач. М., «Машиностроение», 1975. 232 с.
170.	Рудзит Я- А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей. Рига, «Зинатне», 1975. 216 с.
171.	Румянцев С. В. Радиоационная дефектоскопия. М., Атомиздат, 1968. 560 с.
172.	Рыжов Э. В. Технологическое управление геометрическими параметрами контактирующих поверхностей. — В кн.: Расчетные методы оценки трения и износа. Брянск. Приокское кн. издательство, 1975, с. 98—138.
173.	Сайфулин Р. С. Композиционные покрытия и материалы. М., «Химия», 1977. 270 с.
174.	Самоподнастраивающиеся станки. Под ред. Б. С. Балакшина. М., «Машиностроение», 1967. 399 с.
175.	Сборник нормативно-технических документов по оценке уровня качества продукции ВНИИС. Издательство стандартов, 1975. 92 с.
176.	Свойства и применение антифрикционных самосмазывающихся материалов. Под общ. ред. Л. Б. Хрисановой, В. Д. Белогорского. М., МЦМ, 1970. 145 с.
177.	Светлицкий В. А. Случайные колебания механических систем. М., «Машиностроение», 1976. 216 с.
178.	Скорынин Ю. В. Ускоренные испытания деталей машин и оборудования на износостойкость (с применением радиоактивных индикаторов износа). Минск, «Наука и техника», 1972. 159 с.
179.	Семенов А. П. Методика исследования схватывания (адгезии) и противозадирных свойств подшипниковых металлов. — В кн.: Методы испытания и оценки служебных свойств материалов для подшипников скольжения. М., «Наука», 1972, с. 47—52.
180.	Сентюрихина Л. Н., Опарина Е. М. Твердые дисульфидмолибденовые смазки. М., «Химия», 1966. 152 с.
181.	Сервисен С. В. Прочность элементов конструкций в статистическом аспекте и оценка их эксплуатационной надежности. — В кн.: «Надежность и долговечность машин и оборудования». Под ред. А. С. Проникова. М., Издательство стандартов, 1972, с. 136—146.
182.	Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М., «Машиностроение», 1975. 488 с.
183.	Смирнов Н. В., Дунин—Барковский И. В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М., «Наука», 1969. 512 с.
184.	Соболь И. М. Численные методы Монте-Карло. М., «Наука», 1973. 311 с.
581
185.	Соломонов П. А. Надежность планера самолета. М., «Машиностроение», 1974. 320 с.
HG. Сотсков Б. С. Основы теории и расчета надежности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. М., «Высшая школа», 1970. 272 с.
187.	Старосельский А. А., Гаркунов Д. Н. Долговечность трущихся деталей машин. М., «Машиностроение», 1967. 395 с.
188.	Стеклов О. И. Прочность сварных конструкций в агрессивных средах. М., «Машиностроение», 1976. 200 с.
189.	Сулима А. М., Евстигнеев М. И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.» «Машиностроение», 1974. 255 с.
190.	Твердые смазочные покрытия. М., «Наука», 1977. НО с.
191.	Тененбаум М. М. Сопротивление абразивному изнашиванию. М., «Машиностроение», 1976. 271 с.
192.	Техническая диагностика. Труды I Всесоюзного совещания по технической диагностике. М., «Наука», 1972, с. 368.
193.	Технологическая надежность станков. Под ред. А. С. Проникова. М., «Машиностроение», 1971. 344 с.
194.	Технологическое обеспечение качества продукции в машиностроении. Активный контроль. Под ред. Г. Д. Бурдуна и С. С. Волосова. М., «Машиностроение», 1975. 280 с.
195.	Ткаченко В. В. Комплексная стандартизация — основа обеспечения качества продукции. Труды XV конференции ЕОКК. Т. 1. Издательство стандартов, 1972, с. 18—30.
196.	Толстая М. А. Коррозионная стойкость металлов и ее изучение в вузах. Надежность и долговечность машин и оборудования. Опыт и теоретические исследования. Под ред. А. С. Проникова. М., Издательство стандартов, 1972, с. 115—135.
197.	Трение, изнашивание и качество поверхности. М., «Наука», 1973. 152 с.
198.	Трение и изнашивание при высоких температурах. М., «Наука», 1973. 156 с.
199.	Трение и износ в вакууме. М., «Машиностроение», 1973. 216 с. Авт.: И. В. Крагельский, И. М. Любарский, А. А. Русляков, Г. И. Трояновская, В. Ф. Удовенко.
200.	Трение и износ материалов на основе полимеров. Минск, «Наука и техника», 1976, 432 с. Авт.: В. А. Белый, А. И. Свириденок, М. И. Петро-ковец, В. Г. Савкин.
201.	Третьяков А. В., Гарбер Э. А., Давлетбаев Т. Т. Расчет и иссследование прокатных валков. Изд. 2-е, доп. М., «Металлургия», 1976. 256 с.
202.	Трофимов О. А., Аксенов Л. М. Анализ методов статистической обработки нагруженности автомобильных деталей. — В кн.: Вопросы расчета, конструирования и исследования автомобиля. Вып. 4. М., изд. НИИНавто-пром, 1971, с. 208—218.
203.	Ускоренные испытания на надежность технических систем. Материалы Первой Всесоюзной конференции по методам ускоренных испытаний. М., Издательство стандартов, 1974, 232 с.
204.	Усталость и вязкость разрушения металлов. М., «Наука», 1974, 264 с.
205.	Ушаков И. А. Оптимальные задачи надежности. М., «Знание», 1971. 48 с.
206.	Уэрт У. и Томсон Р. Физика твердого тела. М., «Мир», 1969. 558 с.
207.	Физико-химическая механика контактного взаимодействия и фреттинг-коррозия. Научный совет по трению и смазкам АН СССР, Киев, 1973, 162 с.
208.	Финкельштейн Э. С. Исследование надежности подшипников автомобильных двигателей. — «Надежность и контроль качества», 1971, № 9, с. 69—
209.	Фишбейн Ф. И. Методы оценки надежности по результатам испытаний. М., «Знание», L973. 98 с.
210.	Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. М., «Машиностроение», 1974, т. 1, с. 472, т. 2, с. 368.
582
211.	Фукс Г. И., Кутейникова 3. А. Поверхностные явления и надежность узлов трения механизмов приборов. — В кн.: Надежность и долговечность машин и оборудования. Под ред. А. С. Проникова. М., Издательство стандартов, 1972, с. 93—115.
212.	Харач Г. М., Крагельский И. В. Класс износостойкости как характеристика узлов трения. — «Надежность и контроль качества», 1975, № 3, с. 8—14.
213.	Хворостухин Л. А., Чабан А. С. Повышение износостойкости деталей алмазным выглаживанием. — «Надежность и контроль качества», 1973, № 10, с. 11—19.
214.	Хенкин М. Л., Локшин И. X. Размерная стабильность металлов и сплавов в точном машиностроении и приборостроении. М., «Машиностроение», 1974. 255 с.
215.	Химушин Ф. Ф. Жаропрочные стали и сплавы. М., «Металлургия», 1969. 749 с.
216.	Хрущов М. М. Лабораторные методы испытания на изнашивание материалов зубчатых колес. М., «Машиностроение», 1966. 152 с.
217.	Хрущов М. М., Бабичев М. А. Абразивное изнашивание. М., «Наука», 1970. 252 с.
218.	Червоный А. А., Лукьященко В. И., Котин Л. В. Надежность сложных систем. М., «Машиностроение», 1976. 288 с.
219.	Шаракшанэ A. C.f Железнов И. Г. Испытания сложных систем. М., «Высшая школа», 1974. 184 с.
220.	Шестаков В. М. Работоспособность тонкослойных полимерных покрытий. М., «Машиностроение», 1973. 160 с.
221.	Шор Я. Б., Кузьмин Ф. И. Таблицы для анализа и контроля надежности. М., «Сов. радио», 1968. 284 с.
222.	Эксплуатационная надежность авиационных колес. М., «Транспорт», 1974.
223 с. Авт.: И. И. Хазанов, Р. В. Сакач, Я. Н. Пейко и др.
223.	ЭНИМС. Единая система планово-предупредительного ремонта и рациональной эксплуатации технологического оборудования машиностроительных предприятий. М., «Машиностроение», 1967. 591 с.
224.	Юнитер А. Д. Повреждение и ремонт корпусов морских судов. М., «Транспорт», 1973. 216 с.
225.	Якушев А. И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М., «Машиностроение», 1974. 472 с.
226.	Ящерицын П. И., Рыжов Э. В., Аверчинков В. И. Технологическая наследственность в машиностроении. Минск, «Наука и техника», 1977. 255 с.
227.	Archard Т. F. and Hirst W. The wear of metals under unlubricated conditions. «Proc. R. Soc.» 1956, N 1206, vol. 236. p. 397—410.
228.	Barwell F. T. Tribology in production. Product Eng. (G Brit) N 7, 1972, p. 253—261.
229.	Bowden F. P. and Tabor D. The friction and lubrication of solids. «Clarendon Press». Oxford, 1954, p. 372, part 11, 1964, p. 544.
230.	Brook R. H. W. Reliability Concepts in Engineering Manufacture. London, Butterworths, 1972, p. 132.
231.	Downham E. Vibration in rotating Machinery: malfunction diagnosis.— artand science. Proc. Ant. «Vibration in Rotating Machinery» London., 1976, p. 1—6.
232.	Finkin E. F. A wear of loaded solid lubrican film, Estimating Film Wear Life. Trans. ASME Ser F, v. 92, No 2, 1970, p. 274—280.
233.	Finkin E. F. What happens when part wear. Machine Desing. March 19, 1970, p. 148—154.
234.	Fleischer G. Probleme der Zuverlassigkeit von Maschinen. «Wiss. z. Tech-nische Hochschule O. Guericke Magdeburg, 1972, 16 No 4 s. 289—290.
235.	Greene K- Cinibulk W. Quant; tive Safety Analysis. Proc. Ann. Reliability and Maintain ability Symp. San—Francisco, Calif. 1972, p. 218—221.
583
236.	Postnikov V. J. and Pronikov A. S. The investigation method of wear effects on dynamic parameters of rotating system. «Vibrations in Rotating Machinery». The Institution of Mechanical Engineers. London 1976, p. 287— 290.
237.	Pronikov A. S. Dependability and Durability of Engineering Products. London, Butterworths. 1973, p. 186.
238.	Pronikov A. S. Fondements theoriques du calcul de 1’usure des pieces de machines. La Machine—outil Francaise No 203, 204, 1964, Nov. p. 93—101f Dec. p. 81—91.
239.	Pronikov A. S. Sicherung und Bewertung der Zuverlassigkeit von Maschi-nen. Fertigungstechnik und Betrieb, 22 H. 6, 1972. s. 338—342.
240.	Pronikov A. S. Theoretical fundamentals for calculating the wear of machine parts. «Wear», No 6, 1963, p. 391—406.
241.	Rabinowicz E. Friction and Wear of Material, New-York, «Wiley and Sons», 1965, p. 244.
242.	Rabinowicz E. Surface Energy Approach to Friction and Wear «Product Engineering», 1965, No 6, vol. 36, p. 95—99.
243.	Tabor D. The mechanisms of Free Rolling Friction. Journal of the American Soc of Lubrication Engineering. Now Dec 1956.
244.	Tribology Handbook. Edited by M. J. Neall. Butterworths London, 1973.
245.	Vibrations in Rotating Machinery. Proceedings of Conference. London, 1976, p. 290.
246.	Tsuya Y. A. Review of Research on Solid Lubrication in Japan. Proceedings of International Solid Lubrication Symposium. Tokyo, 1975.
247.	Wiele H. Beeinflussung der temperaturbedingten Abweichungen an Werk-zeugmaschinen durch die Betriebsbedingungen. Maschinenbautechnik 23. 1974, Heft 6, p. 249—255.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.....................................................•	3
Часть I.
АНАЛИЗ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МАШИНЫ
Глава 1. Работоспособность и надежность машин ............................  5
1.	Значение проблемы надежности для современных машин ...	5
1.	Надежность — требование эпохи (5). 2. Предмет науки о надежно-» сти машин (8). 3. Теоретическая база науки о надежности (10).
4. Философские предпосылки проблемы надежности (13). 5. Эконо-» мическнй аспект надежности (14)
2.	Основные понятия и показатели..................................  16
1.	Работоспособность и надежность изделий (16). 2. Показатели для оценки безотказности изделия (19). 3. Показатели для оценки долговечности изделия (22). 4. Экономические показатели надежно-» сти (27). 5. Классификация машин по надежности (28)
3.	Причины потери машиной работоспособности........................ 31
1.	Источники и причины изменения начальных параметров маши-» ны (31). 2. Процессы, снижающие работоспособность изделия (32). 3. Классификация процессов, действующих на машину по скорости их протекания (34). 4. Допустимые и недопустимые виды повреждений (35). 5. О параметрической надежности машин (37)
4.	Классификация отказов........................................... 38
I.	Постепенные (износные) и внезапные отказы (38). 2. Отказы функционирования и параметрические отказы (41).	3. Фактические и
потенциальные отказы (42). 4. Допустимые и недопустимые отказы (42). 5. Допустимая вероятность безотказной работы как мера для оценки последствий отказа (43)
б. Математическая модель надежности изделия ....................... 44
1. Представление о состоянии изделия, как о траектории случайного процесса в фазовом пространстве (44). 2. Анализ области работоспособности изделия (46). 3. О формализации процесса потери изделием работоспособности (49). 4. Взаимодействие машины со средой, как система автоматического регулирования (50).	5. Блок-
схема возникновения отказа (53)
Глава 2. Физика отказов................................................	58
1. Анализ закономерностей, описывающих изменения в материалах ..............................................................   58
1. Изменение свойств и состояния материалов как причина потери изделием работоспособности (58). 2. Три уровня изучения поведения материалов (59). 3. Законы состояния (61). 4. Законы старения (63).
5. Область существования процесса старения (66)
2. Поверхностный слой и его параметры ............................. 69
1. Значение явлений в поверхностных слоях при разрушении и ста-рении материалов (69).	2. Геометрические параметры поверхност-
ного слоя (71). 3. Напряженное состояние поверхностного слоя (72).
4. Строение поверхностного слоя (75). 5. Поверхностные явления ври наличии смазок (79)
585
3.	Классификация процессов старения............................ 80
1.	Классификация процессов старения по их внешнему проявлению (80). 2 Процессы повреждения материала детали (82). 3. Процессы разъедания (85). 4. Процессы наростообразования (88). 5. Процессы старения, протекающие при контакте поверхностей (89)
4.	Оценка степени повреждения материала детали.................... 91
1	О необходимости численной оценки степени повреждения (91).
2	Характеристики полного повреждения поверхностей (92)	3.
Виды локальных повреждений поверхностей (94) 4. Методы оценки локальных повреждений (96). 5. Оценка степени повреждения по выходным параметрам изделия (97)
5.	Типовые закономерности протекания процессов старения во времени............................................................ 99
I Классификация временных закономерностей процессов старения (99)	2 Примеры временных зависимостей, описывающих про-
цесс повреждения (ЮЗ). 3 Многостадийные процессы (108) 4 Влияние режимов работы изделия па скорость процессов старения (109).
5. Стохастическая природа процессов старения (112).
Глава 3. Модели отказов................................................ 119
1. Анализ процесса формирования закона изменения выходного параметра........................................................ 119
1 Связь между степенью повреждения и выходным параметром изделия (119) 2. Формирование зйкона изменения выходного параметра во времени (121) 3 Оценка удаленности параметра изделия от предельного состояния (123) 4. Законы распределения сроков службы до отказа (125). 5. Выбор закона распределения (127)
2.	Модель формирования постепенных отказов....................... 129
I Общая схема формирования отказа (129) 2. Модель формирования постепенного отказа данного изделия (130) 3 Модель формирования постепенного отказа с учетом рассеивания начальных параметров изделия (134) 4. Пример расчета ресурса и вероятности безотказной работы изделия (137) 5. Модели постепенных отказов с двумя пределами (139)
3.	Модели внезапных отказов . . ’................................ 141
1 Вероятность возникновения внезапного отказа (141) 2. Оценка ситуации, приводящей к внезапным отказам (144). 3 Область применения экспоненциального закона (146). 4. Одновременное проявление внезапных и постепенных отказов (148) 5. Случайный поток отказов (150)
4.	Общая схема потери машиной работоспособности.................. 154
1 Схема потери машиной работоспособности при заданной длительности непрерывной работы (154). 2. Расчет вероятности безотказной работы машины по данному выходному параметру (159). 3. Схема потери машиной работоспособности при эксплуатации до первого отказа (150). 4 Сравнение двух основных методов эксплуатации машин (163). 5. Анализ областей работоспособности и состояний (166)
5.	Оценка предельного состояния изделия.......................... 169
1	Предельное состояние по степени повреждения и по выходному параметру (169). 2 Критерии для оценки предельного состояния по выходному параметру (170) 3 Регламентация предельных состояний в нормативно-технической документации (172). 4. Максимально-допустимое значение выходного параметра как случайная величина (173).
5	Максимальные и допустимые значения параметров с учетом си-
стемы ремонта (174)
Глава 4. Надежность сложных систем................................... 176
1. Сложная система и ее характеристики......................... 176
1. Понятие о сложной системе и ее свойствах (176). 2. Элементы сложной системы (177). 3. Основные типы структур сложных систем (179). 4. О надежности сложных систем (180). 5. Эффективность системы (182).
586
2. Расчет схемной надежности сложных систем ..................... 182
1.	Расчет надежности системы по надежности элементов (182).
2.	Резервирование ненадежных элементов (184). 3. Резервирование систем (186). 4. Метод построения и анализа структурных схем (188).
5.	О применимости расчета схемной надежности для машин и механических систем (191)
3.	Расчет параметрической надежности сложных систем (функциональные связи) ................................................ 192
1.	Формирование показателей надежности сложной системы (192).
2.	Пример функциональных связей, определяющих параметрическую надежность изделия (196). 3. Структурная схема параметрической надежности (199) 4. Общая схема расчета машины на надежность (201).
5 Нормирование показателей надежности (204)
4.	Прогнозирование надежности (вероятностные связи)....	209
1.	Методы прогнозирования (209). 2. Схема прогноза параметрической надежности машины (210). 3. Применение метода Монте-Карло для прогнозирования надежности (212). 4. Возможности метода статистического моделирования (215). 5. Оценка экстремальных ситуаций (216)
5.	Источники информации о надежности машин...................... 218
1.	Три основных источника информации (218). 2. Статистическая информация из сферы эксплуатации (221). 3. Статистическая информация из сферы ремонта (223). 4. Оценка информации о надежности прн наличии различных источников (225). 5. Информация, необхо-
димая для оценки долговечности изделий (227)
Часть II
ИЗНОС МАШИН
Глава 5. Износ материалов ...................................   229
1. Природа и классификация процессов изнашивания......... 229
1.	Износ как результат взаимодействия твердых тел при трении (229).
2.	Усталостная природа изнашивания (232). 3. Основные и производные процессы при износе материалов (233). 4. Классификация видов изнашивания (235). 5. Классификация процессов изнашивания по скорости протекания элементарных актов разрушения (238)
2. Основные закономерности изнашивания............................. 239
1. О закономерностях изнашивания материалов (239). 2. Протекание износа во времени (241). 3. Зависимость износа от давления и скорости скольжения (242). 4. Зависимость износа от механических характеристик материалов (244). 5. Влияние на износ структуры ма-
териалов (245)
3. Влияние на изнашивание вида трения и смазки................... 246
1. Влияние вида трения (246). 2. Влияние смазки (247). 3. Выбор смазки (250). 4. Твердые смазки (251). 5. Трение и износ в экстремальных условиях (вакуум, высокие температуры) (253)
4» Методы измерения износа ...................................... 254
1. Классификация методов иэмерения износа (254). 2. Определение износа по содержанию продуктов изнашивания в смазке (256).
3. Метод микрометрических измерений (256). 4. Метод искусственных баз (258). 5. Метод поверхностной активации (261)
5. Выбор износостойких материалов ................................ 263
1. Требования, предъявляемые к материалам пар трения (263). 2. Принципы выбора износостойких материалов (264). 3. Структурная приспособляемость материалов (265). 4. Типовые сочетания материалов для пар трения (267). 5. Классы износостойкости (269)
Глава 6. Износ сопряжений..> .............	272
1. Классификация сопряжений по условиям изнашивания ....	272
1.	Два направления в изучении износа деталей машин (272). 2. Износ поверхностей и износ сопряжений (272). 3. Износ сопряжений при самоустановке деталей (274). 4. Классификация сопряжений по условиям изнашивания (276). 5. Примеры сопряжений различных
587
2.	Расчет сопряжений на износ с использованием условия касания 279
1 Исходные положения при расчете сопряжений (279). 2. Основные этапы расчета сопряжений на износ (280). 3. Расчет на износ конических поверхностей (282). 4. Расчет на износ пары вращающийся цилиндр —колодка (285). 5. Расчет на износ пары вал—подшипник скольжения (290)
3.	Расчет на износ поступательных направляющих скольжения 292
1	. Методика расчета на износ направляющих скольжения (292) 2. Расчет формы изношенной поверхности при ограниченной длине направляющих (298). 3. Работа трения при износе направляющих (300).
4	Износ поступательной пары при небольших относительных перемещениях (301). 5. Экспериментальное исследование формы изношенной поверхности направляющих (304)
4.	Износ сопряжений с переменными условиями контакта . . .	306
1.	Износ кулачковых механизмов (306). 2. Износ пары цилиндр — поршневое кольцо (309). 3 Износ зубчатых зацеплений (312). 4. Износ режущего инструмента (316). 5. Износ элементов машин, взаимодействующих с твердой средой илн телом (318)
5.	Контактная задача для сопряженных поверхностей деталей машин............................................................ 319
1.	Условие касания поверхностей с учетом контактных деформаций $319). 2. Контактная задача при однотипном характере статической и динамической эпюр давлений (320). 3. Контактная задача при различном характере статической и динамической эпюр давлений (324). 4. Процесс перераспределения статической эпюры давлений в дийам'ическую (322). 5. О прогнозировании износа сопряжений (323).
Глава 7. Износ механизмов......................................... 328
1. Износ жестко связанных сопряжений........................ 328
1.	Статически неопределимые системы с изнашивающимися опорами (328). 2. Износ жестко связанных кольцевых направляющи» (328). 3. Совместный износ плоских направляющих (329). 4. Совместный износ наклонных направляющих (331). 5. Анализ конструктивных параметров жестко связанных сопряжений (332)
2.	Износ многозвенных механизмов................................ 334
1.	Механизмы с независимым износом звеньев (334). 2. Влияние износа отдельных звеньев механизма на его выходные параметры (335).
3 Суммирование износов звеньев механизма (337). 4. Компенсация износа в механизмах (339). 5. Учет рассеивания параметров механизма (341)
3.	Предельные износы механизмов ................................ 341
1.	Критерии предельного износа (341). 2. Предельные износы из условия прочности механизма (343). 3. Предельные износы из условия точности перемещения ведомого звена (344). 4. Предельные износы из условия рассеивания выходных параметров (346). 5. Предельные износы многозвенных механизмов (346)
4.	Изменение положения ведомого звена механизма в процессе изнашивания .................................................... 348
1.	Изменение положения ведомого звена механизма как его выходной параметр (348). 2. Анализ условий изнашивания нецентрально нагруженных кольцевых направляющих (348). 3. Оценка характера эпюры давлений нецентрально нагруженных кольцевых направляющих (349). 4. Определение износа сопряжения для кольцевых направляющих (351). 5. Определение угла наклона вращающегося стола при износе его направляющих (352)
5.	Изменение траектории ведомого звена механизма в процессе изнашивания .................................................... 353
1.	Искажение траектории ведомого звена при износе сопряжения (353).
2.	Влияние на траекторию звена износа жестко связанных направляющих (856). 3. Оценка при, помощи ЭВМ условий изнашивания направляющих на стадии их проектирования (358). 4. Блок-схема программы расчета на ЭВМ параметров узла трения (359). 5. Пример поиска оптимального конструктивного варианта для узла трения (362)
588
Глава 8. Износ машин
................................................ 365
1.	Исследования износа машин...................................... 365
1.	Специфика исследований износа машин (365). 2. Износ технологического оборудования (365). з. Износ транспортных машин (367).
4.	Износ машин, работающих в условиях абразивной среды (367).
5.	Износ систем и агрегатов (368)
2.	Расчет и прогнозирование изменения кинематических параметров машины при ее износе....................................... 369
1.	О прогнозировании надежности сложных систем с учетом их износа (369). 2. Анализ работоспособности агрегатного расточного станка (370). 3. Схема износа сопряжений, определяющих надежность работы расточного станка (371). 4. Расчет влияния износа сопряжений на точность станка (372). 5. Прогнозирование потери точности обработки при износе сопряжений станка (376)
3.	Расчет и прогнозирование износа машин с учетом макроприработки .......................................................... 378
1.	Макроприработка —• основная причина нелинейности процесса изнашивания (378). -2. Макроприработка поступательных пар трения (379). 3. Макроприработка неточно выполненных и деформированных дисков (381). 4. Регламентация периода макроприработки (383). Б. Прогнозирование надежности с учетом макроприработки (384)
4.	Оценка изменения динамических параметров машины при ее износе ........................................................... 386
1.	Влияние износа на динамические характеристики машин (386).
2.	Прйвод с автоматическим регулированием как объект анализа (389). 3. Анализ работоспособности электромеханического привода* (391). -4. Оценка выходных параметров изношенного привода (393). 5. Экспериментальная оценка надежности системы (395)
5.	Основные методы повышения износостойкости машин ....	396
1.	Выбор рациональной конструкции механизма (396). 2. Уменьшение нагрузок на поверхности трения (398). 3. Принцип равномерного износа (399). 4 Автоматическая компенсация износа (399).
5. Регламентация показателей износа машин из условия надежности (402)
Часть III
ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ
Глава Я Управление качеством и надежностью ...........	404
1.	Государственная система управления качеством и надежностью ......................................................... 404
1.	Необходимость обеспечения качества и надежности на всех стадиях производства и эксплуатации машин (404). 2. Система управления качеством в Советском Союзе (405). 3. Отраслевая система управления качеством как подсистема АСУП (40о). 4. Отраслевые информационные системы надежности (408). 5. Государственная система надзора за качеством (409)
2.	Управление качеством и надежностью на предприятии ....	410
1.	Факторы, определяющие качество изделий (410). 2. Классификация условий, влияющих на качество процессов труда (411). 3. Общие принципы управления качеством на предприятии (412). 4. Организация контроля качества на предприятии (414). 5. Комплексные программы обеспечения надежности (416)
3.	Аттестация качества и надежности............................. 417
1.	Государственная систейа аттестации качества (417). 2. Показатели качества (418). 3. Оценка уровня качества (419). 4. Квалиметрия (420).
5.	Специфика аттестации надежности изделий (421)
589
4.	Роль стандартизации в обеспечении качества и надежности 42
1.	Стандартизация как инструмент в борьбе за качество и надежность «(422). 2. Стандартизация систем по управлению качеством (423).
3. Основные направления при стандартизации надежности (423).
4. Принцип функциональной взаимозаменяемости (425). 5. Стандар-типизация допусков на выходные параметры изделий (426)
б. Комплексные системы управления качеством продукции . . .	427
1. Развитие идей бездефектного труда (427) 2. Принципы, поло-. женные в основу систем управления качеством (428). 3. Службы « надежности (430). 4. Система мероприятий по повышению надежно-
сти (431). 5. О материальном и моральном стимулировании качества труда (432)
Глава 10. Обеспечение надежности при производстве машин.................	433
1.	Роль технологии в обеспечении надежности машин................. 433
1.	Связь параметров технологического процесса с показателями надежности изделий (433). 2. Отказы, связанные с технологией изготовления изделий (434). 3. Влияние параметров технологического процесса на износостойкость поверхностей (437). 4. Влияние параметров технологического процесса на усталостную прочность деталей (438). 5. Влияние параметров технологического процесса на коррозионную стойкость изделий (439)
2.	Надежность технологического процесса........................... 440
1.	Особенности технологических систем с позиций надежности (440).
2.	Понятие надежности технологического процесса (442). 3. Схема формирования показателей надежности технологического процесса (443). 4 Создание запаса надежности технологического процесса (445).
5	Упрочняющая технология (447)
3.	Контроль качества и надежности продукции в процессе ее изготовления ........................................................ 451
1	. Виды и организационные формы технического контроля (451).
2	Статистические методы контроля качества продукции (452). 3. Статистические методы контроля параметров технологического процесса (453). 4. Контроль надежности изделий в процессе их изготовления (454)	5. Роль активного контроля в обеспечении надеж-
ности технологического процесса (455)
4.	Технологическая надежность оборудования........................ 457
1 Технологическая надежность — основная характеристика оборудования (457) 2. Четыре стадии развития технологического оборудования (458)	3. Принцип саморегулирования (461). 4. Блок-схема
станка —автомата с саморегулированием его параметров (464). 5. Система автоматизированного управления технологической надежностью станков (465)
5.	Остаточные и побочные явления технологических процессов 467
1 Возникновение дефектов в изделиях в ходе технологического процесса (467)	2. Влияние параметров технологического процесса
на возникновение дефектов (469). 3. Технологическая наследственность (471) 4. Последствия технологических дефектов в сфере эксплуатации (473). 5. Дефектоскопия (475)
Глава 11. Испытание на надежность ...............................    478
1.	Классификация видов и методов испытания................... 478
1 Цель испытаний на надежность (478). 2. Виды испытаний на надежность (480). 3. Объект испытания на надежность (481). 4. Характеристики, оцениваемые при испытании на надежность (482). 5. Испытания опытных и серийных образцов (483)
2. Испытание стойкости материалов.................................. .485
1. Общие требования при испытании стойкости материалов (485).
2. Выбор схемы испытания (486). 3. Исследовательские и контрольные испытания стойкости материалов (487). 4. Выбор режима нагружения (488). 5. Физико-статистическое моделирование процесса старения (490)
590
3.	Стендовые испытания на надежность с применением статистических методов	. .	............... 492
1 Стендовые испытания узлов и механизмов машин (492). 2. Схемы типовых испытательных стендов (493). 3. Планирование объема испытаний (496). 4. Планы испытаний на надежность (497). 5. О статистических методах обработки результатов испытаний (500)
4.	Ускоренные испытания на надежность.......................... 501
I.	Актуальность ускоренных испытаний (501).	2. Сокращенные
испытания (502). 3. Форсирование режимов испытания (504). 4. Ужесточение факторов внешней среды (507). 5. Повышение точности измерения выходных параметров (508)
5.	Испытание на надежность сложных систем.....................  509
1	Специфика испытания на надежность сложных систем (509).
2	. Анализ потока отказов сложных систем (510). 3 Определение запаса надежности по выходным параметрам изделия (512) 4 Испытания на надежность с применением методов прогнозирования и моделирования (514). 5. Испытание по методу экстремального уровня (517)
Глава 12. Эксплуатация машин . . ...................................... 521
1.	Эксплуатация и надежность машин............................. 521
1.	Периоды эксплуатации машин (521). 2. Спектры эксплуатационных нагрузок (523)	3. Надежность систем «человек—машина» и
«коллектив—комплекс машин» (526). 4. Сбор и обработка эксплуатационной информации о надежности изделий (529). 5. Причины отказа изделия раньше установленного ресурса (530)
2.	Восстановление утраченной работоспособности машины. . .	532
1.	Ремонт и техническое обслуживание — необходимые этапы эксплуатации машины (532). 2. Виды ремонтных работ (534). 3. Влияние рассеивания сроков службы деталей и узлов на содержание периодических ремонтов (536).	4. Формирование структуры ремонтного
цикла (537). 5. Методика определения оптимального межремонтного периода (541)
3.	Ремонтопригодность машин ................................... 547
1.	Ремонтопригодность машин и ее оценка (547). 2. Факторы, определяющие ремонтопригодность машины (548)	3. Влияние тру-
доемкости сборочно разборочных работ на параметры ремонтной системы (549). 4. Обеспечение машин запасными частями (551). 5. Ре-монтосложность машин (552)
4.	Диагностика машин..........................................  553
1.	Задачи технической диагностики (553). 2. Диагностические признаки (555). 3. Анализ диагностического сигнала (556). 4. Диагностирование сложных объектов (561). 5. Структура системы диагностирования (563)
5.	Основные пути повышения надежности машин....................... 565
1.	Повышение сопротивляемости машин внешним воздействиям (565).
2.	Изоляция машин от вредных воздействий (566). 3. Создание оптимальной конструкции машины (566). 4. Применение автоматики для повышения надежности машин (567). 5. Создание машин с регламентированными показателями надежности (569)
Заключение. Направления дальнейших исследований в области надежности машин...................................   571
Список литературы.................................... 575
ИБ № 513
Александр Сергеевич Проников
НАДЕЖНОСТЬ МАШИН
Редактор Н. Г. Любимов
Технический редактор Л. П. Гордеева Корректоры О. Е. Мишина и А. П. Озерова Обложка художника А. Я. Михайлова
Сдано в набор 24 01.78.
Подписано в печать 23 05.78 Т-08155
Формат бОхЭО1/^. Бумага типографская № 2.
Литературная гарнитура. Печать высокая.
Усл печ. л. 37,0. Уч.-изд. л. 42,0.
Тираж 22 600 экз Зак. 803. Цена 2 р. 50 к.
Издательство «Машиностроение», 107885, Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., 3
Ленинградская типография № 6
Союзполиграфпрома
при Государственном комитете
Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
193144, Ленинград, С-144, ул. Моисеенко, 10