Курс лекций для студентов по специальности I 37. 02. 03 «Техническая эксплуатация погрузочно-разгрузочных, путевых, дорожно-строительных машин и оборудования»
| Вид материала | Курс лекций |
- Методика выполнения расчета гидропривода путевых машин конструкции путевых машин для, 865.62kb.
- 3. Требования к минимуму содержания основной профессиональной образовательной программы, 235.18kb.
- Учебный план на 2010 2011 учебный год специальность 190605. 51 «Техническая эксплуатация, 72.92kb.
- Конспект лекций по курсу: «Техническая эксплуатация силовых агрегатов и трансмиссий», 860.12kb.
- Прием и выпуск в учебное заведение, 806.72kb.
- Программа дисциплины по кафедре «Эксплуатация автомобильного транспорта» организация, 237.05kb.
- Перечень вступительных испытаний на заочное отделение, 25.4kb.
- Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения гоу, 2389.4kb.
- «Техническая эксплуатация оборудования в торговле и общественном питании», 1185.85kb.
- Методические указания по выполнению контрольных работ для студентов заочного отделения, 299.59kb.
3 Обеспечение надёжности машин при проектировании,
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:
- Анализ соответствия исходных данных (по техническому заданию) реальным условиям, отражающим специфику работы машины в целом, а также её узлов, сборочных единиц и деталей.
- 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:
- 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;
- Методы перемещения материала детали с одного участка к другому посредством статической деформации с помощью осадки, раздачи, вытяжки и накатки;
- Методы восстановления целостности тела детали сваркой, пайкой и склеиванием;
- Методы удаления материала с поверхности детали путём механической обработки посредством обточки, фрезерования, шлифования, а так же пригоночных работ (опиловки, шабрения, притирки);
- Методы восстановления относительного положения поверхностей детали в пространстве путём статического нагружения, чеканки, местного нагрева (локального).
4 Основные положения при проектировании машин
Интенсификация дорожного строительства во многом определяется темпами создания новых и совершенствования существующих машин.
На этапе проектирования проводятся теоретические и экспериментальные исследования, разрабатывается техническая (в том числе проектная), документация, осуществляется выпуск и испытание опытных образцов.
Как уже отмечалось, задача проектирования состоит в разработке машины, обеспечивающей оптимальное выполнение требований производства при экономии материальных, энергетических и трудовых ресурсов.
Важной задачей проектирования является разработка технической документации, на базе которой осуществляется промышленное производство машины и её надёжная эксплуатация.
Техническая документация состоит из исходной, проектной (конструкторской и технологической), рабочей и информационной документации.
Исходная документация включает:
- Заявку на разработку;
- Исходные требования;
- аванпроект;
- техническое задание (ГОСТ 15.001 – 73).
Конструкторская документация включает:
- техническое предложение;
- эскизный и технический проекты;
Рабочая документация включает:
- рабочую конструкторскую;
- эксплуатационную;
- ремонтную документацию;
Информационная документация состоит из:
- карты технического уровня и качества продукции;
- патентного формуляра;
- карты расчёта экономической эффективности;
- протоколов испытаний и др.
(Состав конструкторской документации определяется ЕСКД) (комплект госстандартов).
Для разработки конструкторской документации исходным документом является ТЗ (техническое задание). Оно разрабатывается на основании требований заказчика (заявки, аванпроекта), а также результатов НИИ и экспериментальных работ. В ТЗ даётся наименование машины и область её применения, цель и источник разработки, технические требования и экономические показатели, стадии и этапы разработки конструкторской документации, а также порядок контроля и приёмки продукции.
К основным требованиям, которые предъявляются к машине на этапе проектирования, относятся, следующие: проект должен гарантировать эффективное и надёжное выполнение машиной заданных функций, а также обеспечивать методы и средства контроля и восстановления технического состояния машины в процессе эксплуатации. К требованиям, которые определены в ТЗ, относятся требования к функциональному соответствию конструкции, экономичному использованию сырья, энергии и трудовых ресурсов, к надёжности, технологическому и метрологическому обеспечению, к уровню унификации и стандартизации, к безопасности и охране окружающей среды, к соответствию условиям эксплуатации; к техническому обслуживанию и ремонту, к патентной чистоте и конкурентоспособности, к транспортированию и хранению.
Этапы выполнения конструкторской документации (в соответствии с ЕСКД) имеют следующий порядок:
- техническое предложение (подбор материалов, разработка и утверждение технического предложения);
- эскизный проект;
- технический проект;
- рабочая конструкторская документация:
- для опытного образца (разработка конструкторской документации, приёмочные испытания опытного образца, корректировка документации)
- для серийного производства (изготовление и испытания установочной серии, корректировка документации, оснащение технологического процесса изготовления продукции).
- для опытного образца (разработка конструкторской документации, приёмочные испытания опытного образца, корректировка документации)
Что собой представляют эти документы?
Во-первых, техническое предложение (ГОСТ 2.118 – 73) (П), которое содержит технико-экономическое обоснование целесообразности разработки. В зависимости от требований ТЗ в техническое предложение входит исходная конструкторская документация (чертежи общего вида, габаритный чертёж, схемы, расчёты, пояснительная записка, патентная проработка, карта технического уровня).
Во-вторых, эскизный проект (Э) (ГОСТ 2.119 – 73), который содержит принципиальные конструкторские решения. Они дают общее представление о конструкции машины и принципе её работы, основные параметры и габаритные размеры. Эскизный проект в дополнение к конструкторским документам (П) содержит программу и методику испытаний, а также ведомость покупных изделий.
В-третьих, технический проект (Т) (ГОСТ 2.120 – 73) – конструкторские документы, дающие уже окончательное техническое решение, устройство и параметры. Он является исходным материалом для разработки рабочей документации. Он помимо документов (ТЗ) и (Э) обязательно содержит общий вид машины.
Рабочая конструкторская документация – это совокупность конструкторских документов, предназначенных для изготовления, контроля, приёмки, поставки, эксплуатации и ремонта. Эти документы (т.е. документы рабочего проекта) содержат чертежи деталей и сборочных единиц.
Карта технического уровня и качества продукции содержит сведения о технико-экономических показателях продукции, характеризующих её уровень по сравнению с лучшими отечественными и зарубежными аналогами.
Патентная проработка (формуляр) содержит сведения о патентной чистоте машины (развить это положение, приведя примеры).
Нормоконтроль (ГОСТ 2.111 – 68) выполняется на всех стадиях проектирования с целью установления соответствия в разрабатываемых изделиях норм и требований ГОСТов, правильности выполнения конструкторской документации.
Технологический контроль (ГОСТ 2.121 – 73) обеспечивает проверку соблюдения в конструкторской документации установленных технологических (при изготовлении деталей и др.) норм и требований с учётом современного уровня развития техники.
Испытания опытного образца являются важным этапом и обеспечивают экспериментальную оценку параметров машины.
Виды испытаний определены системой разработки продукции и постановки её на производство (ГОСТ 15.001 – 73).
Опытный образец подвергают предварительным и приёмочным испытаниям. Приёмочные испытания могут быть государственными, межведомственными и ведомственными.
Продукцию серийного производства подвергают государственной приёмке, приёмо-сдаточным и периодическим испытаниям. Результаты испытаний оформляют по ГОСТ 25051 – 82.
Проектирование направлено на создание принципиально новой машины. Однако необходимо использовать преемственность конструкции предыдущих поколений путём использования принципов стандартизации (модульного проектирования), унификации, нормализации и типизации.
Стандартизация – достижение необходимой степени упорядочения для решения повторяющихся задач.
Унификация – уменьшение многообразия конструкций, предназначенных для выполнения одних и тех же функций.
Нормализация – применение уже разработанных и освоенных промышленностью деталей, узлов, материалов.
Типизация определяет совокупность машин, объединённых назначением или конструктивными свойствами. Типизация даёт возможность получать машины даже различного назначения, на основе единого конструкторского решения, используя общие методы проектирования и расчёта.