Методы расчета надежности и долговечности технических устройств

2.1. Существующие представления о старении технических устройств

и их элементов

Каждый метод оценки надежности и долговечности техничес­кого устройства базируется на процессах старения, необратимо­го изменения его свойств во времени.

Любое изделие, техническое устройство, машина и т. д. уже в процессе его проектирования и изготовления начинает стареть. Под старением понимается необратимое изменение свойств элементов, узлов и устройств в целом в сторону их ухудшения по сравнению с первоначальными, либо установленными требова­ниями технической документации.

Различают два вида старения: моральное и физическое.

Моральное старение заключается в том, что наряду с рас­сматриваемым изделием появляются изделия подобного же на­значения, но с более высокими качественными показателями. Это приводит к тому, что изделие старой конструкции по показателям работоспособности становится неудовлетворительным, хотя и на­ходится в исправном состоянии.

Физическое старение заключается в потере первоначальных свойств: например, прочности для дета­ли машин, электрических свойств у электроизделий, прозрачно­сти стекол оптических приборов и т. д.

Старение деталей, узлов и изделий происходит под действием внутренних и внешних факторов. Некоторые из них имеют до­статочно строгий детерминированный характер проявления. Дру­гие воздействия носят случайный характер и либо трудно предсказуемы, либо вообще непредсказуемы. В настоящее время еще не создано единой, всеохватывающей теории старения техни­ческих устройств.

В ряде наук рассматриваются отдельные группы необрати­мых и обратимых процессов, протекающих в материалах, дета­лях, узлах и устройствах в процессе их эксплуатации (например, износ, циклическая усталость, коррозионное разрушение и дру­гие).

Рассмотрим в общих чертах причины, вызывающие возник­новение и протекание явлений старения.

В процессе эксплуата­ции и хранения устройств они подвергаются воздействию раз­личного вида энергии.

Механическая энергия. Механическая энергия в устройствах и элементах машин проявляется самым различным образом. Во-первых, элементы и детали устройств подвергаются воздействию статических и динамических усилий, сосредоточенных и распре­деленных. Во-вторых, быстро двигающиеся элементы машин ис­пытывают существенные инерционные нагрузки. Весьма непри­ятными являются различного вида циклические (вибрационные) явления, удары и т. д.

Величина и характер приложенной энергии к тем или иным элементам определяются рабочим процессом, протекающим в машине, внешней средой, в которой работает машина, и кон­структивными особенностями машины.

Тепловая энергия. Тепловое воздействие на элементы и узлы машины бывает двух видов: воздействие от внутренних источников тепла — чаще всего от рабочих процессов, и воздействие от внешних источников тепла. Тепловое поле может быть стационарным, обеспечивающим постоянное воздействие, может быть импульсным (периодическим).

Особенно вредны для машин частые и большие колебания температур.

Химическая энергия. Воздействию химических и электрохимических процессов подвергаются все устройства, работающие в воздушной среде. Особенно сильно воздействию химической энергии подвергаются машины, работающие в, так называемой, агрессивной среде: кислотной, щелочной и т. д.

Электромагнитная и радиационная энергия. Все устройства непрерывно подвергаются воздействию электромагнитных коле­баний, светового потока и другого вида излучениям, которые мо­гут нарушить работу электронных систем, входящих в оснаще­ние машины, и нередко вывести из строя и основные устройства и детали.

Воздействия энергии на устройство приводят к протеканию в нем определенных процессов, которые можно подразделить на необратимые и обратимые.

Обратимыми процессами называются такие, при которых после снятия энергетического поля изделие полностью восстанавливает свои первоначальные свойства. В качестве примера можно привести воздействие механической энергии в пределах действия закона Гука (в упругой области нагрузок). Не приводят к необратимым последствиям малые тепловые и электрические нагрузки.

Все воздействия, результатом которых является необратимое изменение свойств изделия, приводят к необратимым процессам. Необратимые процессы приводят к прогрессивному ухудшению рабочих характеристик изделия. Когда изменение свойств изде­лия достигнет опасных величин, наступает отказ — поломка ма­шины.

Основными необратимыми процессами в машинах и изделиях машиностроения являются:

1. Изнашивание, вызванное трением.

2. Усталостное старение.

3. Физико-химико-механические контактные явления.

4. Различные виды коррозии.

5. Прогрессивное ухудшение функциональных свойств во времени: например, электропроводимости, емкости, вязкости и т. д.

6. Потеря правильной геометрической формы.