CC BY
104
УДК64-83;64.069.8
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТРИБОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЁЖНОСТИ БЫТОВЫХ МАШИН И ПРИБОРОВ
В.И. Росляков
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7
Рассмотрены различные виды износа деталей, связанного с трением. Показано, что долговечность бытовых машин зависит от долговечности и несущей способностей подшипников качения.
Ключевые слова: надёжность; ресурс; техническое обслуживание; изнашивание; подшипники качения; долговечность
METHODS OF INCREASE OF TRIBOLOGICHESKY RELIABILITY OF HOUSEHOLD CARS AND DEVICES
V.I. Rosljakov
There are various kind of wearing and tearing details connected with friction. It is considered that longevity of domestics machines depends upon longevity and having an ability of ball - bearing. Keywords: reliability; a resource; maintenance service; wear process; ball - bearings, durability
Обеспечение требуемого уровня надёжности сложных технических систем, к которым относится современная бытовая техника и техника ЖКХ, зависит от широкого круга мероприятий, выполняемых на стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации техники. К этим мероприятиям относятся:
• на стадии проектирования - выбор номенклатуры нормируемых показателей надёжности, оптимальных конструктивных схем, расчет и проектирование ресурса на основе информации о нагрузках и воздействиях с учётом характеристик выбранных материалов [1];
• на стадии изготовления - контроль качества материалов и изделий, применение современных технологических процессов и упрочняющих технологий, введение контроля и испытаний;
• на стадии эксплуатации - оптимизация и снижение уровня нагрузок, диагностирование, прогнозирование остаточного ресурса, выбор оптимальной системы технического обслуживания и ремонтов и т.д.
Многообразие техники, протекающих процессов и условий эксплуатации не позволяют ограничиться каким-либо простым перечнем методов и приёмов.
Анализ функционирования сложных технических систем показывает, что задачи повышения надёжности должны включать следующие методы [3]:
• разработка и выбор высоконадёжных деталей, узлов, элементов и комплектующих;
• рациональный выбор и использование современных конструкционных материалов и технологий;
• стандартизация и унификация деталей, узлов и сборочных единиц;
• оптимизация режимов функционирования элементов и защита их от перегрузок;
• защита элементов конструкции от неблагоприятного воздействия окружающей среды;
• разработка и реализация научнообоснованной системы технического обслуживания и ремонта;
• контроль качества изготовления, сборки, монтажа и т.д.
Основные методы повышения надёжности техники главным образом направлены на исключение и замедление процессов, снижающих надёжность и приводящих к отказам.
В зависимости от назначения техники, испытываемых нагрузок, протекающих процессов могут использоваться различные методы повышения надёжно-
сти [3]. Так, отказы механических устройств происходят в основном из-за износа и нарушения условий трения, недостаточной прочности деталей, значительной и недопустимой деформации, старения, коррозии и эрозии материалов, нарушения крепления и соединения отдельных элементов и т.д. Причинами этого могут быть ошибки, допущенных при конструировании, в частности, неправильное назначение допусков и посадок.
Наиболее частой причиной отказов большинства механических устройств является износ и нарушение условий трения. Отказы могут наступать как следствие износа поверхностей до предельного состояния, так и при резком изменении коэффициента трения. Изнашивание является сложным процессом и может сопровождаться различными поверхностными и объёмными явлениями, в частности, коррозией [2,3,4]. В связи с этим проблемы надёжности механических систем, связанные с этим явлением, являются главными в деле обеспечения и повышения ресурса бытовой техники.
Рассмотрим различные виды износа деталей, связанного с трением.
При контакте и относительном перемещении сопряжённых поверхностей в поверхностных слоях происходят механические и молекулярные взаимодействия, которые приводят к разрушению микрообъёмов материалов деталей с поверхности, т.е. к износу. Соответственно классификация видов изнашивания основывается на ряде факторов, определяющих процесс изнашивания (рис.1).
Рисунок 1 - Классификация видов изнашивания
Механическое изнашивание происходит в результате только механического взаимодействия; молекулярномеханическое изнашивание сопровождается молекулярным взаимодействием ма-
териалов; коррозионно-механическое изнашивание происходит при трении материалов, вступающих в химическое взаимодействие со средой [1,2,3].
Абразивное изнашивание происходит при наличии на трущихся поверхностях абразивных частиц, образующихся при обработке с отделением стружки, причём часто абразивные частицы сами являются продуктами износа (твёрдыми частицами из структурных составляющих микрообъёмов материалов). Разновидностью абразивного изнашивания является гидрообразное и газообразное изнашивание, при котором износ происходит под воздействием потока твёрдых частиц в жидкостях или газе.
Усталостное изнашивание является следствие циклического взаимодействия микровыступов трущихся поверхностей взаимодействующих деталей. Отделение частиц материала также происходит в результате наклёпа поверхностного слоя детали, который становится хрупким и разрушается.
Адгезионное изнашивание связано с возникновением в зонах контакта интенсивного молекулярного взаимодействия, превосходящего по величине прочность связи поверхностного слоя материала с основным материалом. Адгезионное изнашивание всегда связано с фрикционным переносом материала с одной поверхности на другую, что приводит , как правило, к схватыванию контактирующих участков и глубинному вырыванию материала.
Избирательный перенос является результатом атомарных явлений в зоне контакта, и, вследствие химикомеханических процессов на поверхностях деталей, происходит образование мягкого тонкого слоя, обеспечивающего минимальное трение, что практически приводит к образованию пар трения, работающих без износа.
Окислительное изнашивание происходит при наличии на поверхностях деталей защитных плёнок, образовавшихся при взаимодействии материала с кислородом воздуха, в результате чего деформированный насыщенный кислородом поверхностных слой хрупко разрушается при воздействии циклических нагрузок.
Фреттинг - коррозия происходит при относительных перемещениях контактирующих поверхностей в результате
вибраций или периодических деформаций деталей. Процесс происходит в несколько стадий: вначале происходит поверхностное упрочнение контактных зон, пластическая деформация выступов, образование и разрушение окисных плёнок, затем развиваются коррозионноусталостные процессы, после чего происходит разрушение поверхностных слоёв.
Количественными показателями износа являются: линейный износ (изменение размера тела в направлении, перпендикулярно поверхности трения), скорость изнашивания (изменение линейного размера в единицу времени) и интенсивность изнашивания (отношение линейного износа к пути трения).
Характер изнашивания в общем случае выражает зависимость показателей износа от силовых и кинематических параметров. К ним относятся: давление на поверхности трения и скорость относительного скольжения; структура и механические свойства материалов трущейся пары (твёрдость, предел текучести, модуль упругости); свойства поверхностного слоя (шероховатость, напряжённое состояние и др.); характер трения, свойства покрытий и смазок; а также внешние условия (температура, давление, вибрация) и т.д. [4].
Сложность процесса изнашивания, большое число влияющих на процесс факторов привели к тому, что для описания процесса используются эмпирические зависимости, справедливые для определённого вида изнашивания, происходящего в определённых условиях и для определённого сочетания материалов [5].
Установлено, что для инженерных расчетов необходимо учитывать три основных фактора: сочетание материалов, конструкцию и режим работы фрикционной пары.
Изучение процессов изнашивания показало, что для них характерна линейная зависимость износа к, от скорости изнашивания у и времени Р. (к=к0 +у7). [2].
На скорость изнашивания существенное влияние оказывают давление на поверхности трения р и скорость относительного скольжения поверхностей трения V [4].
у = к к-ра^ь , (1)
где. к - коэффициент износа, зависящий от условий изнашивания и материалов пары трения; а и Ь - показатели, учиты-
вающие вид изнашивания (а=0,5 - 3,0; Ь=1).
Для многих видов изнашивания, например, абразивного, а = Ь = 1. Тогда Y=k•p•h; к = к0+k■p■v■t = к0 +кр ^, (2)
где s=v■t - путь трения.
На значение коэффициента износа к влияет вид материала и условия в зоне контакта (смазка в зоне поверхностей).
Интенсивность изнашивания у = к/з =уЛ’ может быть выражена в виде [1]
у = /I*0 (3)
у Я Р0 N у ,
где: 5 мЯ - глубина внедрения и радиус единичной неровности, Р и Р0 номинальное и фактическое давление; К0 - постоянная, характеризующая распределение неровностей по высоте; а - предел прочности материала; /? - показатель, зависящий от смазки и механических свойств трущихся тел; N - число циклов до разрушения неровностей:
N = р-1" . \-KofPnl
(4)
<оГРо1
В условиях упругого контакта /3 = 10 -н 15.
На основе изложенного можно отметить, что для обеспечения и повышения трибологической надёжности механических систем необходимо использование оптимальных материалов и технологий, износостойких и антифрикционных покрытий, оптимизация конструкций узлов трения и анализ большого количества экспериментальных данных [3].
При конструировании узлов трения необходимо выбирать такой вид трения, форму и размеры трущихся деталей, чтобы обеспечить в заданном диапазоне скоростей и нагрузок высокую износостойкость при отсутствии повреждаемости рабочих поверхностей. Эти задачи могут быть решены при рациональном сочетании материалов деталей узла трения, конструктивными и технологическими мероприятиями, направленными на устранение основных причин, вызывающих конкретный вид повреждаемости [6] .
Рассмотрим, какие детали и комплектующие изделия наиболее подвержены износу. К быстроизнашивающимся комплектующим изделиям относят подшипники, узлы уплотнения, элементы скольжения и другие изделия.
В современных бытовых машинах применяются, главным образом, подшипники качения.
В качестве основных показателей надёжности указанных изделий применяются показатели долговечности. Рассмотрим, как определяются показатели долговечности подшипников качения. Критерием для расчета долговечности подшипника является его базовая несущая способность С [7]. Связь между долговечностью и несущей способностью определяется по эмпирической формуле.
(П-Л)0'3 = С^ , (5)
где. k - долговечность, час; п - частота вращения, об/мин; Q - приведенная нагрузка на подшипник, Н; С - коэффициент работоспособности подшипника.
Приведенную нагрузку Q вычисляют по формуле.
Q = (Я+ш Л) КК • Ка- К (6)
где. Я - радиальная нагрузка, Н; А - осевая нагрузка, Н; т - коэффициент приведения осевой нагрузки к радиальной; КК -коэффициент, учитывающий, какая обойма подшипника вращается (наружная или внутренняя); Ка — коэффициент нагружения; К - коэффициент температурного режима подшипника. Указанные коэффициенты взяты из [7].
Необходимый коэффициент работоспособности из (5) С = Q(n•k)0,3.
При поверочном расчете, зная C,Q и п, определяют долговечность подшипника:
к = 1/п(С/03,33. (7)
При исходных данных: Q=200 Н; С=18000(С^=90); п=1500 об/мин. В соответствии с (7) долговечность подшипника к=20000 час.
Долговечность подшипников должна быть согласована с долговечностью машин, которая колеблется в широких пределах в зависимости от назначения машины, степени напряжённости её рабочих органов, условий эксплуатации, определяемых в основном продолжительностью периода Н службы машины, равного:
Н (8)
17исп
где. к - долговечность; дисп - коэффициент использования машины (доля факти-
ческой работы машины за период её эксплуатации).
^исп. ^см. ’ ^вых. ' ^пр. (9)
где. -дои — коэффициент сменности (при одно -, двух- и трёх сменной работе соответственно т9см = 0,3; 0,6;
0.9.; $вых. - коэффициент выходных дней (в среднем $вш. =0,8); дпр - коэффициент вынужденных простоев равный 0,8.
Подставляя эти значения в уравнение (8), получаем формулу для определения долговечности И в зависимости от срока службы машины Н.
к = 0,64- дсмГН (10)
В случае круглогодовой и круглосуточной работы машины принимается к =0,95Н, где коэффициент 0,95 учитывает вынужденные простои.
Для наиболее распространённого случая двухсменной работы при сроке службы 10-т-15 лет расчетная долговечность к = 35-г- 50 тысяч часов. Для машин интенсивного использования (трёхсменная и круглогодичная работа) при том же сроке службы долговечность к составляет 50^ 100 тысяч часов.
Литература:
1. Сугак Е.В., Василенко Н.В. и др. Надёжность технических систем. МГП «Раско», Красноярск 2001 г.- 607 с.
2. Хазов Б.Ф., Дидусев Б.А. Справочник по расчёту надёжности машин на стадии проектирования.- М. Машиностроение, 1986 г.-224 с.
3. Канарчук В.Е. Основы надёжности машин. Киев. Наукова думка, 1982 г. -248 с.
4. Трение, изнашивание и смазка. Справочник в 2-х книгах под редакцией И.В.Крагельского и В.В. Алисина. М. Машиностроение 1978 -1979 г.-399с
5. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. Справочник.
6. М. Машиностроение 1983 г.- 520 с.
7. Росляков В.И., Оптимизация систем технического обслуживания и
8. обеспечение работоспособности бытовой техники./ Технико-технологические проблемы сервиса №1(11) СПбГУСЭ, 2010 г.
9. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно - методическое пособие в 3-х книгах, книга 2. М. Машиностроение 1977 г. -574 с.
1 Росляков Валерий Иванович, к.т.н., доцент, доцент кафедры “Сервис торгового оборудования и бытовой техники” СПбГУСЭ. Тел.: (812) 700-72-16.
