2.4.5. Виброустойчивость

Под виброустойчивостью понимают способность конструкций работать в нужном диапазоне режимов без недопустимых колебаний. В связи с повышением скоростей машин явления колебаний становятся все более опасными и поэтому расчет на виброустойчивость – все более актуальным.

В строительных и дорожных машинах основное распространение имеют:

1. Вынужденные колебания, вызываемые внешними периодическими силами (неуравновешенностью вращающихся деталей, погрешностями изготовления, переменными силами в поршневых машинах и т. д.), обычно во избежание резонанса, т. е. совпадения частот возмущающих сил с частотами собственных колебаний, последние определяют расчетным путем.

2. Автоколебания или самовозбуждающиеся колебания, т. е. колебания, в которых возмущающие силы вызываются самими колебаниями, например фрикционные автоколебания, вызываемые падением силы трения с ростом скорости и другими факторами. При опасности возникновения автоколебаний необходим расчет динамической устойчивости.

Расчеты на колебания обычно приходится проводить не для отдельных деталей, а для систем; следует учитывать контактные деформации; в расчетах приводов учитывать взаимодействие с приводным двигателем и рабочим процессом. Ввиду того, что практическое значение обычно имеют динамические процессы на низких частотах, а колебательные системы – сложные, их приходится существенно упрощать.

Работа машин сопровождается шумом, вызываемым соударением движущихся деталей машин. Шум в первую очередь связан с погрешностями изготовления деталей – ошибками шага и профиля зубьев, волнистостью дорожек качения подшипников. Однако некоторые детали являются источниками шума при идеально точном изготовлении (например, зубчатые колеса при входе в зацепление новых зубьев). Повышенный шум увеличивает утомляемость персонала и вреден для здоровья. Критерий шума может служить для оценки качества изготовления машин.

Интенсивность шума обычно оценивается в относительных логарифмических единицах (децибелах) и ограничивается санитарными нормами.

Основные средства борьбы с шумом: повышение точности и качества обработки, уменьшение сил удара конструктивными методами, применение материалов с повышенным внутренним трением, а также специальных демпфирующих средств.

2.4.6. Надежность

Надежность (общая) – свойство объекта (изделия) выполнять в течение заданного времени или заданной наработки свои функции, сохраняя в заданных пределах эксплуатационные показатели. Надежность изделий обусловливается их безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

Безотказность – свойство сохранять работоспособное состояние в течение заданной наработки без вынужденных перерывов. Это свойство особенно важно для машин, отказы которых связаны с опасностью для жизни людей (например, самолеты) или с перерывом в работе большого комплекса машин.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособное состояние до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность – приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять безотказность, долговечность и ремонтопригодность после и в течение установленного срока хранения и транспортирования.

Надежность деталей машин сильно зависит от того, насколько близок режим работы деталей (по напряжениям, скоростям и температурам) к предельному, т. е. от запасов по основным критериям работоспособности.

Надежность в значительной степени определяется качеством изготовления, в зависимости от которого ресурс может изменяться в несколько раз.

Надежность статических определимых механизмов при одинаковых номинальных напряжениях выше, чем статически неопределимых, что связано с меньшим влиянием технологических погрешностей, а также температурных и силовых деформаций.

Например, самоустанавливающиеся конструкции, как правило, более надежны, чем несамоустанавливающиеся.

Утрата работоспособного состояния изделия (полная или частичная) называется отказом. Отказы можно разделить на отказы функционирования, при которых прекращается выполнение функций (например, поломка зубьев), и отказы параметрические, при которых в недопустимых пределах изменяются некоторые параметры (показатели) объекта (например, точность). Отказы по своей природе могут быть связаны с разрушением деталей или их поверхностей (поломки, выкрашивание, износ, коррозия) или не связаны с разрушением (засорение каналов, ослабление соединений). Отказы бывают полные и частичные: внезапные (например, поломки), постепенные, (изнашивание, коррозия и др.) и постепенные по развитию, но внезапные по проявлению (усталость); опасные для жизни человека, тяжелые и легкие; устранимые и неустранимые. По времени возникновения отказы делятся на приработочные (возникающие в первый период эксплуатации и связанные с отсутствием приработки и с попаданием в сборку дефектных элементов); отказы при нормальной эксплуатации (до проявления постепенных износовых отказов) и износовые отказы, к которым в теории надежности относят также отказы по усталости и старению.

Основным показателем безотказности является вероятность Р_в(t) безотказной работы в течение заданного времени или наработки. Экспериментально (или на основе наблюдений в эксплуатации) оценка вероятности безотказной работы определяется как отношение числа образцов, сохранивших работоспособность, к общему числу испытанных образцов. Если последнее достаточно велико, то показатель Р_в(t) принимается равным его оценке.

В связи с тем, что отказ и безотказная работа взаимно противоположные события:

P_в(t) + Q_от(t) = 1, (2.23)

где – вероятность отказа за время t;

f_от (t) – плотность вероятности отказов.

Основные показатели долговечности деталей:

а) средний ресурс, т. е. средняя наработка до предельного состояния;

б) так называемый гамма-процентный ресурс, который обеспечивается у заданного числа γ процентов изделий (например, 90 %).

Вероятность безотказной работы системы равна по теореме умножения вероятностей произведению вероятностей безотказной работы независимых элементов:

P_в.ст(t) = P_в1(t) P_в2(t) … P_вn(t). (2.24)

Поэтому надежность сложных систем получается низкой, например при числе элементов n = 10 с одинаковой вероятностью безотказной работы, равной 0,9, общая вероятность 0,9¹⁰ ≈ 0,35.

Если, как обычно, вероятность безотказной работы элементов достаточно высокая, то, выразив предыдущие формулы через вероятность отказов и отбросив произведения малых величин, можно записать

P_в.ст(t) ≈ 1 – [Q_от1(t) + Q_от2(t) + … + Q _от.n(t)]. (2.25)

При Q_от1(t) = Q_от2(t) = … = Q _от.n(t):

P_в.ст(t) ≈ 1 – n Q_оm1(t). (2.26)

В период нормальной эксплуатации машин постепенные отказы еще не проявляются и надежность характеризуется внезапными отказами. Эти отказы вызываются неблагоприятным стечением обстоятельств и имеют постоянную интенсивность, не зависящую от продолжительности предшествующей эксплуатации изделия. Вероятность безотказной работы в этом случае

_, (2.27)

где – постоянная интенсивность отказов ( – средняя наработка до отказа). Если, как обычно, λ_оt ≤ 0,1, то Р_в(t) ≈ 1 – λ_оt.