Надежность и диагностика технологических систем

 

где N( T ) + N( T +ΔT ) – число случаев безотказной работы соответственно в начале и конце интервала ΔТ.

Зависимость интенсивности отказов  от времени может иметь три  зоны, каждая из которых отображает особенности отказов, изменяющиеся с течением времени работы объекта (рис.2.2).

 

Зона I. λ( T +ΔT) < λ( T ). Интенсивность отказов здесь высокая, но уменьшающаяся с течением времени. Это связано с наличием дефектов, приобретенных при изготовлении объектов, т.е. происходит отбор ненадежных объектов (зона приработки).

Зона II.  λ( T +ΔT) = λ( T ). Основной временной участок работы. Интенсивность отказов стабильна и отказы носят в основном случайный характер.

Зона III.  λ( T +ΔT) > λ( T ). Повышение интенсивности отказов связано с повреждениями, приобретенными при эксплуатации за длительный период времени. Например, усталостные повреждения.

По зависимости λ( T ) удобно оценивать склонность элементов ТС к изменению состояния с течением времени работы.

 

2.1 Схема формирования  отказа

 

Отказ ТС наступает в результате комплексного воздействия повреждений, накопленных в станке, инструменте приспособлении. Повреждения U приводят к изменению во времени выходного параметра X, достигающего при отказе предельного значения X_max . Следует отметить, что изменение X ( T ) может существенно по своему характеру отличаться от временных зависимостей повреждений U_i ( T ). Линейный закон изменения повреждений во времени может привести к нелинейной временной зависимости выходного параметра. Это вызвано тем, что Х формируется рядом взаимосвязанных и взаимозависимых повреждений U_i .

 

  - сложная зависимость                            (2.14)

 

 

2.2 Решение практических  задач по надежности (с. 25...32)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Повреждения в элементах ТС, приводящие к отказу

 

Повреждения, приводящие к отказам  технических объектов (повреждения РИ и станков) изучает физическая теория надежности.

Цели изучения:

• выявление возможных повреждений и в связи с этим, изменений в состоянии ТС в процессе ее эксплуатации;
• определение мероприятий по предотвращению повреждений и возможности управления ими для повышения безотказности;
• выявление удельного веса влияния каждого повреждения на выходные параметры Х и определение критерия состояния и критерия отказа объекта; Критерий состояния – признак, количественное значение которого наиболее полно характеризует состояние объекта.

 

3.1. Классификация  процессов в ТС по скорости их протекания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.* Классификация повреждений и процессов по скорости их протекания

Все процессы трех скоростных групп, представленные в классификации, изменяют положение режущей кромки резца  относительно базовых поверхностей обрабатываемой детали, изменяют траекторию размерного формообразования. Это нарушает точность, повышает шероховатость, увеличивает погрешности формы обработанной детали, что приводит к параметрическим отказам.

Предположим, что в каждый момент времени работы ТС значение Х является результатом суммарного воздействия повреждений всех скоростных групп, при этом воздействия их независимы друг от друга. Тогда при отказе можно принять, что

Х_max = X ( U₁ ) + X ( U₂ ) + X ( U₃ ) ,

 

где X ( U₁ ), X ( U₂ ), X ( U₃ ) – приращения Х от воздействия повреждений, соответственно, быстропротекающих U₁, среднепротекающих U₂ и медленнопротекающих U₃ процессов.

Х достигнет предельного значения Х_max в среднем через отрезок времени Т = Т₁ .

Для анализа влияния повреждений  на Х и Т (наработку до отказа) воспользуемся упрощенной схемой формирования отказа (рис. 3.1).

 

 

Прямые линии  Х = f ( T, U₁, U₂, U₃); Х = f ( T, U₁, U₂); Х = f ( T, U₃), являются математическими ожиданиями соответствующих случайных функций. Повреждения U₁, U₂ рассматриваются совместно, поскольку U₁ не зависят от времени.

По схеме можно сделать следующие  выводы:

1) В течение одной наработки  до отказа доля приращения Х за счет U₁ и U₂ значительно больше, чем за счет повреждений U₃ . В связи с этим для повышения показателей надежности необходимо прежде всего сокращать повреждения U₁ и U₂ . После наработки до отказа вследствие обратимости повреждений, смены или подналадки инструмента U₁ и U₂ ликвидируются.

2) После каждой наработки до  отказа резерв Х (резерв точности) сокращается на величину Х ( U₃ ) за счет медленных необратимых процессов повреждений. При длительной эксплуатации ТС остаточный резерв Х, равный Х_max – Σ Х ( U₃ ) становится небольшим. Доля повреждений U₃ будет возрастать.

3) Если принять, что в течение  каждой наработки скорость изменения Х одинакова, то в связи с сокращение резерва Х, уменьшается продолжительность наработки до отказа Т₁ .

4) Плотность распределения наработки  до отказа f ( T ) смещается влево по оси Т и, хотя σ_т становится меньше, гарантийная наработка Т_γ может стать незначительной.

5) Восстановление резерва Х и показателей надежности ТС достигается за счет ремонта МРС, устраняющего повреждения от медленных процессов.

Т. о., надежность при данном резерве Х зависит прежде всего от:

• тепловых деформаций станка и инструмента;
• силовых повреждений;
• динамических повреждений;
• изнашивания и выкрашивания РИ.

 

3.2. Тепловые повреждения

 

В каждый момент времени работы ТС к исходным погрешностям траектории формообразования и погрешностям из-за необратимых повреждений добавляются погрешности от процессов высокой и средней скорости протекания. К ним относятся погрешности от тепловых повреждений. Тепловые деформации имеют место во всех основных элементах ТС – СПИДе. Они снижают показатели качества обрабатываемых деталей, значительно сокращают резерв точности ТС.

Основными источниками теплоты, от которых нагреваются элементы ТС, являются:

• источник в зоне резания, образующийся в результате превращения механической энергии в тепловую. От него нагреваются: инструмент, деталь, СОТС и детали станка;
• источники трения в подшипниках, муфтах, в направляющих, в гидросистеме. От них нагреваются детали станка;
• источник в электроприводе.

В различных зонах станка и инструмента  рост температуры θ^о во времени –

θ^о = f ( T ), будет подчиняться одному из трех вариантов кривых, показанных на рис. 3.2.

 

   Рис. 3.2. Зависимости изменения температуры θ^о с течением времени Т   нагревания деталей станка и инструмента

Зависимость а) отображает изменение температуры деталей станка и режущей части инструмента, расположенных в зонах образования источников теплоты. Характерна высокая скорость роста температуры режущей части инструмента в начале работы и стабилизация за относительно короткий промежуток времени. Величина скорости роста температуры до стабилизации зависит от мощности теплового источника, массы объекта, воспринимающего теплоту, его теплофизических свойств. Это быстропротекающие процессы.

Детали станка нагреваются медленнее. Зависимости, приведенные на рис. б) и в) характеризуют скорости нагревания деталей, удаленных от источников на различные расстояния. Для них характерна длительная стабилизация температуры, а в случае в) нагревание происходит с запаздыванием относительно начала обработки. Это процессы средней скорости.

Тепловое смещение шпинделя токарного  станка (рис. 3.3), достигающее значений δ = 0,05 мм, или шлифовальной бабки круглошлифовального станка происходит в соответствии с зависимостью θ^о = f ( T ) (рис. 3.3 б). Это вызывает появление конусности на обрабатываемой детали.

 

 

Тепловые деформации могут вызвать  поворот шпиндельной бабки круглошлифовального станка (рис. 3.4, а), а различие скорости нагревания в соответствии с графиками (рис. 3.2, б) приводят к перекосу стола (рис. 3.4, б).

Существенное влияние на тепловые деформации деталей станков оказывает теплота, излучаемая гидроприводом. Трение в силовых гидроцилиндрах повышает их температуру, а также температуру масла. Неравномерное нагревание стола от этого источника теплоты вызывает его деформации, показанные на рис. 3.5.

На рис. 3.6 показана тепловая деформация стойки вертикальных станков, как результат нагревания передней и задней стенок до различных температур – θ^о₁ > θ^о₂ . Источниками теплоты являются зоны резания и привода станков. При этом задняя стенка стойки нагревается с запаздыванием в соответствии с графиками θ^о = f ( T ), приведенными на рис. 3.2, в).

Примеры иллюстрируют тепловые деформации, стабилизирующиеся за длительный период времени. Чтобы уменьшить их влияние  на выходные параметры Х, рекомендуется прогревать станки. За 2…3 часа до начала работы оператора таймер автоматически включает станок. Для удержания стойки в вертикальном положении можно охлаждать переднюю стенку стойки или нагревать заднюю (рис. 3.6).

Точность траектории движения формообразования существенно зависит от тепловых деформаций в кинематической цепи станка (ходовой винт).

С повышением температуры изменяются рабочие свойства смазки и масла, что влияет на скорость движения рабочих органов станка, точность позиционирования.

Значительное влияние на точность обработки оказывают тепловые деформации инструмента и, особенно, обрабатываемой детали.

Следует отметить, что тепловые повреждения  ТС вызывают погрешности обработки, относящиеся в основном к систематическим.

3.3. Силовые повреждения

 

Силовые повреждения возникают  под действием сил резания. Они  изменяют относительное положение инструмента и заготовки за счет:

• упругих деформаций деталей станка;
• выборки зазоров в стыках между деталями;
• смятия контактирующих поверхностей;
• поворота деталей и узлов относительно друг друга.

Все это влияет на точность обработки. Обобщающей характеристикой склонности ТС к силовым повреждениям является ее жесткость. Для станков разработаны  нормы жесткости. В результате испытаний станков на жесткость получают нагрузочно-разгрузочную характеристику «сила – перемещение» – перемещение δ режущей части инструмента под действием составляющей силы резания Р_у (рис. 3.7).

 

Кривые позволяют прогнозировать возможное начальное нарушение  точности из-за силовых повреждений. Однако, с течением времени работы инструмента, δ возрастает, т.к. растет составляющая силы резания при затуплении инструмента. Это необходимо учитывать при чистовой обработке, и прежде всего, при шлифовании. Так, при врезном шлифовании жестких деталей на круглошлифовальном станке правленым кругом силовое перемещение равно 0,004 мм, а затупленным 0,015 мм.

Многократный рост δ вызывается значительным ростом силы Р_у при шлифовании вследствие особенностей работы абразивных кругов. Особенность состоит в том, что режущие элементы (абразивные зерна) имеют неблагоприятную для стружкообразования геометрию. Среднестатический передний угол отрицательный, равный  – 45^о, что вызывает высокие значения составляющей силы резания Р_у (рис. 3.8). Для правленого круга соотношение Р_у / Р_z = 2...2,5. Затупление круга, проявляющееся в износе режущих зерен (увеличения радиуса округления, образование площадки износа) и в забивании шламом пор между зернами (засаливание), приводит к ускоренному росту Р_у относительно Р_z . Соотношение Р_у / Р_z возрастает до 4...5. Это и определяет значительные силовые деформации при шлифовании. Необходима своевременная правка круга.

При обработке лезвийным инструментом изменение перемещений δ во времени неоднозначно и зависит от превалирующего развития очагов износа рабочей части инструмента. Величина δ растет пропорционально росту Р_у . На рис. 3.9 зависимость 1 соответствует превалирующему износу h на задней поверхности, а зависимость 2 – на передней.