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.
