Изготовлении и эксплуатации

В общем случае основные показатели надёжности, а также других значимых характеристик машины зависят от многих факторов. Для удобства их классификации целесообразно рассмотреть все стадии (этапы) создания и эксплуатации машины, а также основные методы обеспечения её надёжности.

1) Этап проектирования и конструирования машины;

2) Этап изготовления машины;

3) Этап эксплуатации машины.

Методы обеспечения надёжности ДСМ при их проектировании.

На первом этапе – этапе проектирования и конструирования – закладывается надёжность и долговечность деталей, узлов и машины в целом.

К наиболее важным методам обеспечения надёжности при низком уровне материало- и энергоёмкости машины относятся:

1 Оптимизация и совершенствование расчётов деталей, узлов и механизмов машины с учётом её эксплуатации (режимов, нагрузок и др.).

2 Выбор материалов для деталей, узлов и конструкций машины, в том числе высокопрочных КМ на основе упрочняющих волокнистых наполнителей.

3 Совершенствование конструкций деталей, узлов и механизмов, их проектирование под ресурсо-, энерго- и трудосберегающие технологические процессы их изготовления.

4 Выбор эффективных методов повышения прочности, износостойкости и коррозионной стойкости деталей машин с учётом условий их эксплуатации.

5 Совершенствование схем унификации и агрегатирования блоков и сборочных единиц, повышение уровня стандартизации деталей, узлов и механизмов машины.

При проектировании и конструировании выбирают материалы, размеры, схемы, сечения и прочее в соответствии с предполагаемым сроком службы и основными показателями надёжности. На этом этапе закладывается надёжность за счёт того, что используются соответствующие методики расчёта машин, по которым принимают допускаемые напряжения, выбирают расчётные схемы и материалы.

Заложенная на этапе проектирования надёжность на следующих этапах – изготовления и эксплуатации – может быть только (в лучшем случае) поддержана на определённом уровне, но не повышена.

Поэтому отказ, связанный с несовершенством принятых методов расчёта и конструирования, называемый конструкционным отказом, в большинстве случаев трудно устранить на следующих этапах. (В ряде случаев это возможно на этапе эксплуатации за счёт выбора эффективного метода восстановления детали, например, путём нанесения износостойкого или упрочняющего слоя покрытия).

От чего зависит предполагаемая надёжность машины? Она, прежде всего, зависит от объёма исходной информации, которой располагает конструктор. Эта информация должна включать данные о самых неблагоприятных условиях эксплуатации машины, характеризующих расчётные положения и расчётные схемы. В свою очередь достоверность этих данных будет зависеть от того, насколько точно и полно они были исследованы ранее (в том числе, как учтены исследования влияния внешних факторов – нагрузок, скоростей, среды, температуры – на свойства металла, деталей и конструкций из них).

Как повысить надёжность будущей машины, её элементов, узлов и конструкций? Остановимся немного подробнее на основных этапах методах повышения надёжности, указанных ранее.

Итак, по первому направлению:

1 Оптимизация и совершенствование расчётов деталей, узлов и

механизмов машины

На этапе разработки технического задания вырабатываются требования к надёжности узлов, сборочных единиц и деталей, влияющих на работоспособность машины в целом. При этом используют методики, разработанные специалистами ведущих НИИ.

При подготовке требований на надёжность следует провести следующие мероприятия:

1. Анализ соответствия исходных данных (по техническому заданию) реальным условиям, отражающим специфику работы машины в целом, а также её узлов, сборочных единиц и деталей.

2. Повышение точности определения действующих нагрузок (и их влияние на работу различных механизмов машины), что особенно важно при динамических нагрузках и неустановившихся режимах.

Для этих целей используют:

а) метод определения эквивалентных нагрузок, учитывающий режим нагружения, в том числе переменность нагрузок (работа на выносливость);

б) вероятностные методы расчёта, основанные на статистическом изучении действующих нагрузок и прочностных характеристик материалов.

3) Прогнозирование надёжности машины с применением методов подобия и моделирования, как рабочих органов, так и среды. В частности, разработаны методики для проведения исследований на моделях ДСМ в естественной среде, а также в модельной (изменённой) с последующим пересчётом усилий и напряжений применительно к натуральным объектам (как машинам, так и средам).

4) Анализ надёжности базовой машины (аналога) и обеспечение её повышения в проектируемой конструкции.

5) Важное значение имеют испытания опытных образцов и серийных изделий:

а) Заводские испытания (ускоренными методами) с ограниченным числом опытных образцов, обоснованным с вероятностных позиций:

– функциональные поузловые испытания на работоспособность;

– поузловые испытания на надёжность;

– заводские функциональные испытания изделия в целом на работоспособность;

б) Заводские испытания серийных образцов:

– испытания каждого изделия на работоспособность при выпуске;

– выборочные (периодические) контрольные испытания на надёжность;

в) Систематические наблюдения за работой серийных изделий в условиях эксплуатации (сбор и анализ всех отказов и неисправностей; разработка мероприятий по повышению надёжности изделий; информирование завода-изготовителя).

2 Выбор материалов для деталей, узлов и конструкций машины, в том числе высокопрочных КМ на основе упрочняющих волокнистых наполнителей

1) Для силовых деталей применяют, качественные углеродистые стали, хромистые стали, марганцевые малолегированные стали перлитного класса;

2) Для несиловых деталей (крышек, редукторов и ходовых колёс) и изнашивающихся деталей (тормозных шкивов, одноребордных колёс тележек мостовых кранов и др.) используют высокопрочный чугун с глобулярным графитом.

3 Совершенствование конструкций деталей, узлов и механизмов, их проектирование под ресурсо-, энерго- и трудосберегающие технологические процессы их изготовления

1) Упрощение конструкции за счёт выбора более простых (детально продуманных) схем машины с ограниченным числом сборочных единиц, деталей и их более рациональной конструкции;

2) Применение более совершенных металлоконструкций:

а) Для повышения надёжности металлоконструкций сварных ходовых рам СДМ и поворотных платформ (разрушение происходит в местах приварки поперечных балок к продольным, в местах сварки стержней конструкций ферм и остова машины) следует избегать жёстких сварных конструкций, не применять, при сварке металлы различной структуры, избегать острых углов и резких переходов, сокращать число свариваемых элементов за счёт применения специальных профилей и штампованных изделий.

б) Для повышения надёжности рабочего оборудования СДМ (разрушение стрел, рукоятей ковшей у ОЭ и погрузчиков, отвалов и толкающих брусьев у бульдозеров, ножей у автогрейдеров – в местах концентрации внутренних напряжений, возникающих после сварки, что чаще всего проявляется при низких температурах) применяют вместо сварных штампованные элементы с ограниченным числом деталей и специальные профили проката;

в) Для повышения надёжности металлоконструкций следует использовать в качестве остовов машин холодный прокат и трубы, что снижает металлоёмкость в других случаях – заготовки горячих и холодных штамповок, горячекатаных профилей периодического сечения, гнутых профилей из литья повышенной точности.

3) Для повышения надёжности соединений – замена шпоночных соединений – шлицевыми соединениями (часто с эвольвентным профилем);

4) Для повышения надёжности передач:

а) используют в крановых приводах (если это возможно) волновые передачи, которые характеризуются одновременной работой до 40% зубьев;

б) используют во всех механизмах ДСМ зубчатые передачи в масляных ваннах.

5) Для повышения надёжности механизмов поворотов ДСМ (опорно-поворотные круги воспринимают большие динамические нагрузки) следует:

а) использовать роликовые поворотные конструкции, хотя шариковые – совершеннее;

б) беговые дорожки опорно-поворотных кругов подвергать закалке токами высокой частоты с предварительной объёмной закалкой и высоким отпуском.

4 Выбор эффективных методов повышения прочности, износостойкости и коррозионной стойкости деталей машин с учётом условий их

эксплуатации:

а) Для повышения срока службы ножей автогрейдера их закаляют или изготавливают с наплавкой твердыми сплавами;

б) Для повышения изностойкости ряда быстровращающихся деталей применяют хромированные, сульфидированные и др. покрытия;

в) Для повышения долговечности зубьев зубчатых муфт (в 2 – 3 раза) их закаливают ТВЧ до HRC 35…40 (в сравнении с муфтами, прошедшими термическую обработку («улучшение»).

5 Совершенствование схем унификации и агрегатирования блоков и сборочных единиц, повышение уровня стандартизации деталей, узлов и механизмов машины

1) При создании новой машины принимают более совершенную схему (уровень) унификации и агрегатирования блоков и сборочных единиц, на которые разбивается машина новой или модернизированной конструкции;

2) Для обеспечения высокого уровня унификации (и соответственно повышения надёжности основных сборочных единиц и деталей ДСМ) необходимо централизованное изготовление на специализированных заводах ходовых колёс, зубчатых муфт, редукторов, тормозов шкивов и гидротолкателей, блоков и барабанов, гидроцилиндров и т.п.

3) При изготовлении однотипных машин и их сборочных единиц на различных заводах необходимо использовать единые чертежи без каких-либо отклонений или изменений, поскольку нарушение технологических регламентов может привести к потере взаимозаменяемости сборочных единиц.

В качестве примера – самая универсальная ДСМ – ГОЭ.

Их унификация осуществляется с учётом анализа известных размерных групп и типовых рядов отечественных и зарубежных машин.

Уровень унификации зависит от детали, узла или конструкции основных элементов.

Так для нескольких типоразмеров машин используют унифицированное (в данном случае однотипное) оборудование – двигатели (электро-, ДВС, гидравлические), узлы управления, гидроаппаратура и др.

Для некоторых узлов ГОЭ унификация охватывает большую часть размерных групп. К ним относятся насосы, ГЦ, колёса, цилиндры ДВС, кабины управления, капоты.

Их количество составляет всего 4…5 для всего ряда машин.

Таким образом, за счёт изготовления унифицированных рядов ГОЭ (на специальных производствах) количество деталей, необходимых для выпуска 60 моделей ГОЭ, сокращается в 6 – 7 раз по сравнению с количеством деталей в индивидуальном (не специализированном) производстве.

На втором этапе – этапе изготовления обеспечение надёжности, заложенной при конструировании и проектировании машины, можно реализовать с помощью организационных мероприятий и технологических методов. Отметим, что на этом этапе также работает принцип необходимости минимальной себестоимости выполнения работ. Поэтому необходим технико-экономический анализ различных вариантов перед выбором технологического процесса.

К организационным мероприятиям относятся:

1) Выбор необходимого станочного оборудования и приспособлений, режущего и измерительного инструмента;

2) Типизация производственных процессов (в том числе групповая обработка деталей);

3) Выбор рациональной технологии изготовления типовых деталей;

4) Специализация производства.

К технологическим методам относятся:

1) Методы обеспечения требуемой точности размеров деталей при механической обработке;

2) Методы обеспечения требуемого качества поверхностей деталей;

3) механическое упрочнение (пластическое деформирование) деталей;

4) термическая, химико-термическая, термомеханическая и другая обработка деталей;

5) Нанесение покрытий триботехнического и специального назначения:

а) металлических;

б) полимерных;

6) Методы обеспечения требуемого качества сборки узлов, агрегатов и машины в целом.

7) Реализация (создание) напряжённого состояния в метало-конструкциях для компенсации внешних нагрузок (в том числе её неравномерность, концентрации и прочее).

На третьем этапе – этапе эксплуатации сохранение (а в некоторых случаях и повышение) надёжности, заложенной, при проектировании машины осуществляется как организационными мероприятиями, так и технологическими методами.

К организационным мероприятиям относятся следующие:

1) Контроль соответствия технических характеристик машин режимам её эксплуатации;

2) Контроль исполнения системы планово-предупредительного ремонта машин;

3) Совершенствование организации ТО и ремонта машин;

4) Совершенствование организации ремонта типовых деталей и механизмов машин.

Обеспечение или повышение надёжности машин путём восстановления (ремонта) деталей машин, упрочнения и повышения их износостойкости осуществляется различными технологическими приёмами. К ним относятся:

1. Методы наращивания на дефектную (изношенную) поверхность детали другого материала путём наплавки металлических материалов, напыления металлических и полимерных покрытий (материалов), электрохимического и химического осаждения металлических покрытий;

2. Методы перемещения материала детали с одного участка к другому посредством статической деформации с помощью осадки, раздачи, вытяжки и накатки;

3. Методы восстановления целостности тела детали сваркой, пайкой и склеиванием;

4. Методы удаления материала с поверхности детали путём механической обработки посредством обточки, фрезерования, шлифования, а так же пригоночных работ (опиловки, шабрения, притирки);

5. Методы восстановления относительного положения поверхностей детали в пространстве путём статического нагружения, чеканки, местного нагрева (локального).