close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

609.Старов В.Н., Жулай В.А

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Воронежский государственный архитектурно–строительный университет»
(Воронежский ГАСУ)
В.Н. СТАРОВ, В.А. ЖУЛАЙ, В.А. НИЛОВ
ОСНОВЫ РАБОТ ОСПОСОБНОСТ И
Т ЕХНИЧЕСКИХ СИСТ ЕМ
Учебное пособие
Рекомендовано научно-методическим советом Воронежского ГАСУ
в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям
подготовки 190100 «Наземные транспортно–технологические комплексы»,
190109 «Наземные транспортно–технологические средства»,
190600 «Эксплуатация транспортно–технологических машин и комплексов»
Воронеж 2012
УДК 621.35/87(075)
ББК 34.41
С773
Рецензенты:
кафедра производства, ремонта и эксплуатации машин
Воронежской государственной лесотехнической академии;
В.С. Литвинов, к. т. н., доц., главный конструктор ЗАО «РудГорМаш»
С773
Старов, В.Н.
Основы работоспособности технических систем: учеб. пособие / В.Н. Старов,
В.А. Жулай, В.А. Нилов; Воронежский ГАСУ. – Воронеж, 2012. – 270 с.
ISBN 978-5-89040-412-1
Рассмотрены современные подходы к решению задач обеспечения работоспособности
технических систем и повышения эффективности эксплуатации машин строительного комплекса. Приведены классификации технических систем, рассмотрены основные свойства,
обеспечивающие работоспособность транспортно–технологических машин и пути повышения их работоспособности за счет совершенствования операций технического обслуживания и ремонта составных частей и сборочных единиц.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 190100 «Наземные транспортно-технологические комплексы», 190109 «Наземные
транспортно–технологические средства» и 190600 «Эксплуатация транспортно–
технологических машин и комплексов». Может быть полезно специалистам в области эксплуатации строительных, дорожных и коммунальных маши, а также сервисному обслуживанию машин и автомобильного транспорта и других родственных направлений.
Ил. 64. Табл. 12. Библиогр.: 44 назв.
УДК 621.35/87(075)
ББК 34.41
ISBN 978-5-89040-412-1
© Старов В.Н., Жулай В.А., Нилов В.А., 2012
© Воронежский ГАСУ, 2012
2
ВВЕДЕНИЕ
За последние десятилетия качество и надежность современных машин значительно
улучшились, но необходимо решить еще немало проблем, чтобы достичь желаемого уровня. Большую роль при изучении теории и практики обеспечения надежности машин строительного комплекса играют глубокие научные знания.
Предлагаемое учебное пособие расширяет знания студентов при изучении основ
обеспечения работоспособности на этапах создания и эксплуатации машин строительного
комплекса (МСК) за счет того, что наряду с традиционными вопросами учебной программы большое внимание уделено научным проблемам и вопросам совершенствования качества эксплуатации и обслуживания МСК.
В книге приведены понятия, общепринятая терминология и новые термины в области
технических систем (ТС). Исследованы объекты, характеризующие строение и функци онирование технических систем, а также их классификации. Обсуждены основные свойства
систем, обеспечивающие работоспособность строительных и дорожных технологических
машин, подробно разбирается концепция жизненного цикла машин строительного комплекса. Анализируются основные факторы, приводящие к потере работоспособности деталей и узлов строительных технологических машин.
Исследуются характерные дефекты, а также методы контроля технического состояния деталей машин в процессе их эксплуатации.
Приведен большой материал по наработке и отказам подсистем и машин строительного комплекса. Изучены случайные величины процессов эксплуатации ТС МСК и их характеристики.
Приведены сведения из теории вероятностей и математической статистики, а на их
основе – примеры расчета надежности систем машин строительного комплекса, работающих до отказа.
Обоснованы требования к надежности элементов машин и её составляющим частям.
Представлены примеры выбора номенклатуры показателей надежности машин и принципы обеспечения надежности.
Показаны особенности учета надежности и распределение ресурса машины. Исследовано, что влияет на сроки службы машин, приведены методики расчета деталей машин
на изнашивание. Показано, от чего зависит повышение надежности и долговечности деталей, узлов и агрегатов машин строительного комплекса.
В последних главах рассмотрены материалы по повышению работоспособности систем за счет организации и содержания операций обслуживания, а также за счет содержания операций технического обслуживания и ремонта составных частей и сборочных единиц. Указаны резервы уменьшения объемов ремонтов.
Показаны особенности агрегатного метода. Должное внимание уделено совершенствованию технологических процессов технического обслуживания и методов и средств
диагностирования технического состояния ТС СТМ. Показано, что экономическая эффективность зависит от внедрения системы управления качеством обслуживания.
Авторы благодарны рецензентам и коллегам, принявшим участие в обсуждении материалов книги.
Ваши отзывы и пожелания просим направлять по адресу издательства: 394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, дом 84. Издательство учебной литературы и учебнометодических пособий Воронежского ГАСУ.
3
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АСУ – автоматизированная система управления
Д–1 – (общая) и Д–2 (углубленно – поэлементная)
диагностика или диагностические работы
ЕО – ежедневное техническое обслуживание
ЖЦИ – жизненного цикла изделия
ЖЦТ – жизненного цикла товара
ИПМ – информационно–параметрической модели
ИСО 9000 или ISO 9000: 2008 – международные стандарты системы
качества серии 9000, редакции 2008 года
КР – капитальный ремонт; есть текущий ремонт – ТР
КС, (QS) – ''качество системы'' или ''качество для системы''
МСК – машина строительного комплекса или
МСТК – машина строительного технологического комплекса
НТД – нормативно–технической документации
ПМ – передвижные мастерские
ПС – подвижной состав
ПТБ – производственно–техническая база
РК – ремонтный комплект
СДМ – самоходная дорожная машина
СКС – степень конструктивной сложности
СО – сезонное обслуживание
СТД – средства технического диагностирования
СТМ – строительная технологическая машина
СТП – стандарт предприятия
ТНО – технологической наследственностью объекта
ТО – техническое обслуживание; виды: ТО–1, ТО–2, ТО–3
ТР – технический ремонт
ТС – техническая система
ТС МСК – техническая система машина строительного комплекса
4
Глава 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА - МАШИНА СТРОИТЕЛЬНОГО
КОМПЛЕКСА. СВОЙСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
1.1. Понятия «система», «техническая система» (ТС)
и «машина строительного технологического комплекса»
Прежде чем исследовать работоспособность строительной и дорожной техники, то есть
машин строительного комплекса, или любую инженерную машину рассмотрим, что определяет машину как техническую систему, а также исследуем само понятие «система» и «техническая система».
Понятие «система» давно используется в терминологии многих наук. Чаще всего в
понятие системы вкладывают принципы происхождения, а затем проводят разделение на
классы. При этом исходят из того, что есть два больших класса естественных и искусственных систем.
Естественные глобально подразделяются на биологические и неорганические. Искусственные – это почти все остальные. Среди них отдельно выделяют общественные, созданные разумом человечества. Есть химические системы, во многом, возникающие и существующие без участия людей. Рукотворные – это системы технические, строительные, электрические, абстрактные математические, машинные и прочие, созданные гением людей.
Рассмотрим интересующие нас, в первую очередь, технические и машинные системы. Чтобы дать оценку любой системе, её надо сравнить с другой – родственной. Однако
это не всегда просто сделать.
Обычно, когда сравнивают две системы, то учитывают многие факторы. При этом
стремятся найти не только различия их форм, функций и степени сложности, но и если
есть, то различия принципов их действия, используемых для достижения требуемых результатов.
В этих ситуациях возникают проблемы однозначного понимания сущности, явлений,
терминов и т. п. Считается, что возможны два подхода к проблеме определения понятия
технического средства – «абстрактной машины». Первый подход состоит в перечислении
всех элементов, входящих в состав машины, например для одноковшового экскаватора:
поворотная платформа, ходовая часть, рама, двигатель, привод, стрела, рукоять, ковш.
Второй подход заключается в применении обобщающего выражения, или терминов. В
последнем случае основное внимание при описании технического средства следует уделять его системным свойствам.
К настоящему времени в научно-технической практике большинство терминов уже стали привычными, однако они используются не повсеместно, и полемика по терминологическим вопросам пока не прекращается.
Во всех разделах используются общепринятые в России и за рубежом термины и понятия. Если по тексту приняты новые понятия, то их определения нами выделены и приводятся с необходимыми ссылками и на основании общепринятых классификаций областей
знания.
Техническая система. Отметим, что при классификации именно технических систем
возникает много вопросов. Любой подход не дает точного определения понятия «техническое средство».
Так, систему «автомобиль–самосвал» в соответствии с любой используемой схемой
можно трактовать по-разному. Ведь объект автопрома – автомобиль – это совокупность подсистем: двигатель, привод, передаточный механизм, задний мост, колеса и т. д.
С других позиций, как объект применения на автомобиле изделий электротехники - это
фары, приборная доска, системе зажигания и т. д.
В другой классификации упорядочение систем в соответствии с принципами их действия – механическим, электрическим, гидравлическим и другими – также не позволяет уни5
фицировать свойства и однозначно определить классы элементов систем, так как в настоящее время существует понятие "гибридные системы".
Таким образом, рассматривая совокупность объектов, выполняющих единый функциональный замысел "абстрактной машины" будем использовать для обозначения этой совокупности термин «техническая система».
Теория машин, разработанная гениальным отечественным ученым Артоболевским И. И.,
представляет собой основную часть общей теории технических систем, но современные
концепции понимания более глубоки. Начать хотя бы с того, что технические системы (ТС
или TS) – это в чистом виде и не механизмы, и не автоматы.
Рассмотрим особенности и общие понятия теории технических систем, выдвинутые
одним из ведущих теоретиков в этой области В. Хубкой [42].
Цель его теории состоит в том, чтобы привести, имеющиеся знания по объекту теории
– техническим системам – в единый комплекс понятий, определений и положений, основываясь на сущности и закономерностях структуры; законах создания и использования технических систем.
Этим ученым соединены воедино следующие определяющие положения теории: система понятий; система преобразований; технический процесс как элемент системы преобразований; техническая система как элемент системы преобразований; назначение технической системы; структура технической системы; свойства и оценивание технической
системы; возникновение и развитие технической системы; эволюция технической системы; систематика – классы, типы и виды технической системы и др.
В соответствии с областью применения различают:
общую теорию технических систем, которая справедлива для всех технических, в том числе и строительных машинных, систем;
специальные теории, которые конкретизируют общую теорию для отдельных
классов, типов и видов технических систем.
Структура специальной теории также может быть иерархической, например теории
автомобилей, грузовых автомобилей, кранов, авторефрижераторов и т. п. Особое положение занимают специальные теории, которые применимы для нескольких отраслей техн ики, например теория механизмов, теория деталей машин и т. п., которые справедливы для
тракторов, автомобилей, экскаваторов, скреперов и других изделий. Применение теории
технических систем для исследования строительных технологических машин и основ их
эксплуатации также имеет важные преимущества объединения системных теорий.
Теория выявляет закономерности, справедливые для всех объектов техники. Она
способствует перенесению профессионального опыта из одной области (общего машиностроения) в другие (автомобиле- и тракторостроение, строительные конструкции) благодаря возможности переноса системных категорий.
Объединение всех объектов, то есть строительных и дорожных технологических
машин, например грейдера или любой автомобильной базы строительной техники, в
класс «технические системы» позволяет разработать единый подход к инженерной деятельности, не связанной с конкретным объектом техники и приемлемый во всех специальных областях.
В рамках этого подхода можно изучать и создавать методы конструирования технических систем вообще (шасси грузового автомобилей) и систем определенного класса
(подъемного крана) в частности.
Работа с абстрактными понятиями заставляет инженера – конструктора автокрана
или грейдера – применять научные методы там, где силы воображения и опыта недостаточно. Тем самым создаются условия для ухода от устаревших традиций и шаблонов. Теория технических систем позволяет трактовать любую техническую проблему целостно, с
позиций системного подхода. Это является предпосылкой эффективного конструирования и
успешного выполнения любых инженерных работ.
Теория технических систем связана с развитием автоматизированного проектирова6
ния. Использование кибернетических подходов и ЭВМ позволяет формализовать многие
операции, используя алгоритмы логических операций процесса конструирования, и перевести процесс создания строительных технологических машин, а также систем их обслуживающих, на новый качественный уровень.
Таким образом, использование классов технических систем в исследованиях работоспособности машин строительного комплекса, основанных на аналогичности отношений,
дает новую информационную базу для выявления максимального количества способов реализации определенной функции. Тем самым создаются предпосылки для того, чтобы из
множества возможных решений выбрать наилучшее. Это позволяет создать каталоги рациональных конструкций, предложить клиентам всевозможные системы обслуживания.
Таким образом, строительная технологическая машина - это техническая система.
Теория технических систем позволяет реализовать подходы, ориентирующие на
конечную цель и позволяющие управлять взаимосвязями, обеспечивающими высокий
уровень эксплуатационных показателей и сервисного обслуживания. Чтобы повысить
эффективность эксплуатационных процессов и иметь взаимопонимание во всех обл астях деятельности следует пользоваться единой терминологией.
Рассмотрим особенности терминологии теории систем. При этом исходим из того, что
имеем дело с обобщенным понятием, каким является класс строительных и дорожных машин, как технических систем, то есть машин строительного комплекса (МСК) или что то же
самое, но более конкретно – строительная технологическая машина (СТМ). В связи с вышеуказанным в тексте также будет встречаться понятие и аббревиатура МСТК – машина строительного технологического комплекса.
1.2. Терминология, объекты, характеризующие строение
и функционирование технических систем
Современная наука и техника широко пользуются понятием "система". Система является фундаментальным понятием общей теории систем, включающей системные исследования, системный анализ, системный подход. Уточним термины объектов теории систем.
В настоящее время нет единства в определении понятия "система", но существуют общепринятые толкования системы. Например, основоположник теории систем Людвиг фон
Берталанфи определял систему как комплекс взаимодействующих элементов или как сов окупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой.
Холл А. определяет систему как множество предметов вместе со связями между предметами
и между их признаками.
Первые понятия о системе дают элементы и связи (отношения) между ними. Поэтому в
общей форме под системой подразумевают упорядоченную совокупность каких-либо элементов с их взаимосвязями, подчиненными целенаправленному функционированию.
В качестве “рабочего” определения понятия системы в литературе по теории систем часто рассматривается следующее: система – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство.
В последние годы понятие системы приобрело некоторый новый смысл, так как рассматривают системы, где происходят материальные процессы, связанные с переработкой сырья, движением финансов, использованием различных машин. Однако все это реализуются
лишь через деятельность людей, входящих в конкретную систему, а системы находятся в
прямой зависимости от их поведения. Особую актуальность приобрела проблема внедрения
в производство совершенной организационной системы управления.
Представим классическое определение: система – это объективное единство закономерно связанных предметов, явлений, действий, сведений, а также знаний о природе, обществе, технике, технологий и других объектов, имеющих единый замысел и целостность
функционирования [42].
7
Считается, что каждый объект является системой, если обладает четырьмя основными
свойствами или признаками, а именно: целостностью и делимостью, наличием устойчивых
связей, организацией и эмерджентностью. Поясним это.
Для системы первичным является признак целостности, то есть она рассматривается
как единое целое, состоящее из совместимых взаимодействующих частей.
Система имеет структуру с целостной совокупностью элементов с их взаимосвязями.
При этом в системе могут быть выделены отдельные подсистемы, объекты или элементы.
Однако система не сводится к простой совокупности элементов, поэтому, осуществляя деление или расчленяя систему на отдельные части, исследуя их в отдельности, нельзя познать
все свойства системы в целом.
Наличие устойчивых связей (отношений) между элементами или (и) их свойствами,
более прочными, чем связи этих элементов с элементами, не входящими в данную систему,
является важным атрибутом системы.
Организация объекта характеризуется упорядоченностью элементов системы. Это
определяет ее структуру, то есть внутриустройство системы.
Эмерджентность предполагает наличие в системе таких качеств (свойств), которые
присущи системе в целом, но не свойственны ни одному из ее элементов в отдельности.
Таким образом, любой исследуемый объект, который обладает вышеуказанными четырьмя свойствами, можно называть системой. Следовательно, строительная технологическая машина полностью отвечает понятию – "техническая система".
В зависимости от принципа, используемого для объединения объектов в систему, одни
и те же элементы могут образовывать различные по свойствам системы. Поэтому характеристики системы в целом определяются не только и не столько характеристиками составляющих ее элементов, сколько характеристиками связей между ними.
Добавление элементов в систему вводит новые связи, что изменяет характеристики
прежних взаимосвязей и приводит к исключению некоторых из них или появлению новых,
поэтому изменяется и система.
В последние годы в определение понятия системы наряду с элементами, связями и их
свойствами и целями начинают включать наблюдателя (исследователя). Впервые на необходимость учета взаимодействия между исследователем и изучаемой системой указал один из
основоположников кибернетики У. Р. Эшби. М. Масарович и Я. Такахара считают, что система есть “формальная взаимосвязь между наблюдаемыми признаками и свойствами”.
В зависимости от количества учитываемых факторов и степени абстрактности определение понятия “система” можно представить в символьной форме по–разному. Если каждые
определения обозначить буквой D (от лат. definitio) и порядковым номером, совпадающим с
количеством учитываемых в определении факторов, то краткие определения понятия описания или представления системы S могут быть следующими [25, 27].
1. Система есть нечто целое, как двоичное представление:
SD1 = A(1, 0).
(1.1)
Это определение выражает факт существования и целостность. Двоичное суждение
А(1,0) отображает наличие или отсутствие этих качеств.
2. Система есть организованное множество:
SD2 = (орг, М),
(1.2)
где символ – орг - оператор организации; М - множество.
3. Система есть множество вещей, свойств и отношений:
SD3 = ({m},{n},{r}),
(1.3)
где m - вещи, n - свойства, r - отношения.
4. Система есть множество элементов, образующих структуру и обеспечивающих определенное поведение в условиях окружающей среды:
SD4 = ( , ST, BE, E),
(1.4)
где - элементы, ST — структура, BE — поведение, Е — среда.
8
5. Система есть множество входов, множество выходов, множество состояний, характеризуемых оператором переходов и оператором выходов:
SD5 =(X, Y, Z, H. G),
(1.5)
где Х — входы, Г — выходы, Z — состояния, Н — оператор переходов, G — оператор
выходов. Это определение учитывает основные компоненты, рассматриваемые в автоматике.
6. Данное определение, как и последующие, трудно сформулировать однозначно, поэтому укажем области их применений. Так, SD6 соответствует уровню биосистем и учитывает генетическое (родовое) начало GN, условия существования KD, обменные явления MB,
развитие EV, функционирование FC и репродукцию (воспроизведения) RP:
SD6 = (GN, KD, MB, EV, FC, RP).
(1.6)
7. Это определение оперирует понятиями модели F, связи SC, пересчета R, самообучения FL, самоорганизации FO, проводимости связей СО и возбуждения моделей JN:
SD7 = (F, SC, R, FL, FO, CO, JN).
(1.7)
Данное определение удобно при нейрокибернетических исследованиях.
8. Если определение SD5 дополнить фактором времени и функциональными связями, то
получим определение системы, которым обычно оперируют в теории автоматического
управления:
SD8 = (Т, X, Y, Z, , V, , ),
(1.8)
где Т — время, Х — входы, У — выходы, Z — состояния,
— класс операторов на
выходе, V — значения операторов на выходе, — функциональная связь в уравнении у(t2 ) =
[x(t1 ), z(t1 ), t2 ], — функциональная связь в уравнении z(t2 ) = [x(t1 ), z(t1 ), t2 ].
9. Для организационных систем удобно в определении системы учитывать следующее:
SD9 = (PL, RO, RJ, EX, PR, DT, SV, RD, EF),
(1.9)
где PL — цели и планы, RO — внешние ресурсы, RJ — внутренние ресурсы, EX—
исполнители, PR—процесс, DT—помехи, SV — контроль, RD — управление, EF — эффект.
Продолжение последовательности определений можно представить как систему S DN ,
где (N = 10, 11, ...), в которой учитывалось бы такое количество элементов, связей и действий
в реальной системе, которое необходимо для решаемой задачи и достижения поставленной
цели. Отметим, что для строительной технологической машины в полной мере соответствует
определение по типу: система есть множество элементов, образующих структуру и обесп ечивающих определенное поведение в условиях окружающей среды, а также более сложное –
система есть множество входов, множество выходов, множество состояний, характеризуемых оператором переходов и оператором выходов.
Рассмотрим основные понятия, характеризующие строение и функционирование общих систем (технических систем).Элемент. Под элементом принято понимать простейшую
неделимую часть системы. Ответ на вопрос, что является такой частью, может быть неодн означным и зависит от цели рассмотрения объекта как системы, от точки зрения на него или
от аспекта его изучения.
Элемент – это предел членения системы с точек зрения решения конкретной задачи и
поставленной цели. Систему можно расчленить на элементы различными способами в зав исимости от формулировки цели и ее уточнения в процессе исследования.
Подсистема. Система может быть разделена на элементы не сразу, а последовательным
расчленением на подсистемы, которые представляют собой компоненты более крупные, чем
элементы, и в то же время более детальные, чем система в целом. Возможность деления системы на подсистемы связана с вычленением совокупностей взаимосвязанных элементов,
способных выполнять относительно независимые функции, подцели, направленные на достижение общей цели системы.
Названием "подсистема" подчеркивается, что такая часть должна обладать свойствами
системы (свойством целостности). Этим подсистема отличается от простой группы элемен9
тов, для которой не сформулирована подцель и не выполняются свойства целостности (для
такой группы используется название “компоненты”). Например, подсистемы АСУ, подсистемы строительных машины в системе общих инженерных машин.
Структура. Это понятие происходит от латинского слова structure, означающего строение, расположение, порядок.
Структура отражает наиболее существенные взаимоотношения между элементами и
их группами (компонентами, подсистемами), которые мало меняются при изменениях в системе и обеспечивают существование системы и ее основных свойств.
Структура – это совокупность элементов и связей между ними. Структура может быть
представлена графически, в виде теоретико-множественных описаний, матриц, графов и других языков моделирования структур.
Структуру часто представляют в виде иерархии.
Иерархия – это упорядоченность компонентов по степени важности (многоступенчатость, служебная лестница). Между уровнями иерархической структуры могут существовать
взаимоотношения строгого подчинения компонентов (узлов) нижележащего уровня одному
из компонентов вышележащего уровня, то есть отношения, так называемого древовидного
порядка. Указанные иерархии называют сильными или иерархиями типа "дерева". Они имеют ряд особенностей, делающих их удобным средством представления систем управления.
Однако могут быть связи и в пределах одного уровня иерархии.
Один и тот же узел нижележащего уровня может быть одновременно подчинен н ескольким узлам вышележащего уровня. Данные структуры называют иерархическими структурами со слабыми связями. Между уровнями иерархической структуры могут существовать
и более сложные взаимоотношения, например, типа "страт", "слоев", "эшелонов", которые
детально рассмотрены в [25]. Примеры иерархических структур: энергетические системы,
государственный аппарат, генеральный штаб вооруженных сил и т.п.
Связь. Понятие "связь" входит в любое определение системы наряду с понятие"элемент" и обеспечивает возникновение и сохранение структуры и целостных свойств
системы. Это понятие характеризует одновременно и строение (статику), и функциониров ание (динамику) системы.
Связь характеризуется направлением, силой и характером (или видом). По первым
двум признакам связи можно разделить таким образом: направленные и ненаправленные,
сильные и слабые; по характеру — на связи подчинения, генетические, равноправные (или
безразличные), связи управления.
Связи можно разделить также по месту приложения (внутренние и внешние), по
направленности процессов в системе в целом или в отдельных ее подсистемах (прямые и обратные). Связи в конкретных системах могут быть одновременно охарактеризованы н есколькими из названных признаков.
Важную роль в системах играет понятие "обратной связи". Это понятие, легко иллюстрируемое на примерах технических устройств, не всегда можно применить в организац ионных системах.
Исследованию этого понятия большое внимание уделяется в кибернетике, в которой
изучается возможность перенесения механизмов обратной связи, характерных для объектов
одной физической природы, на объекты другой природы.
Обратная связь является основой саморегулирования и развития систем, приспособления их к изменяющимся условиям существования. Подобным образом построены современные системы управления любым автомобилем.
Состояние. Понятием "состояние" обычно характеризуют мгновенную фотографию,
"срез" системы, остановку в ее развитии. Его определяют либо через входные воздействия и
выходные сигналы (результаты), либо через макропараметры, макро–свойства системы
(например, давление, скорость, ускорение – для физических систем типа автомобиль–
самосвал; производительность, себестоимость продукции, прибыль – для экономических систем).
10
Более полно состояние можно определить, если рассмотреть элементы (или компоненты, блоки), определяющие состояние, учесть, что "входы" можно разделить на управляющие и и возмущающие х (неконтролируемые) и что "выходы" (выходные результаты, сигналы) зависят от , и и х, то есть существует взаимосвязь вида zt = f( t, иt, хt).
В зависимости от задачи состояние может быть определено как { , и}, { , и, z} или { , х,
и, z}. Таким образом, состояние — это множество существенных свойств, которыми система
обладает в данный момент времени.
Поведение. Если система способна переходить из одного состояния в другое (например, z1 z2 z3 ), то говорят, что она обладает поведением.
Этим понятием пользуются, когда неизвестны закономерности переходов из одного состояния в другое. Тогда говорят, что система обладает каким-то поведением и выясняют его
закономерности.
С учетом введенных выше обозначений поведение можно представить как функцию zt =
f (zt–1 , хt, иt).
Внешняя среда. Под внешней средой понимается множество элементов, которые не
входят в систему, но изменение их состояния вызывает изменение поведения системы.
Модель. Под моделью системы понимается описание системы, отображающее определенную группу ее свойств. Углубление описания – детализация модели. Создание модели
системы позволяет предсказывать ее поведение в определенном диапазоне условий.
Модель функционирования (поведения) системы – это модель, предсказывающая изменение состояния системы во времени, например: натурные (аналоговые), электрические,
машинные на ЭВМ и др.
Равновесие – это способность системы в отсутствие внешних возмущающих воздействий (или при постоянных воздействиях) сохранить свое состояние сколь угодно долго.
Устойчивость. Под устойчивостью понимается способность системы возвращаться в
состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием
внешних возмущающих воздействий. Эта способность обычно присуща системам при постоянном иt, если только отклонения не превышают некоторого предела.
Состояние равновесия, в которое система способна возвращаться, по аналогии с техн ическими устройствами называют устойчивым состоянием равновесия. Равновесие и устойчивость в экономических и организационных системах – гораздо более сложные понятия,
чем в технике, и до недавнего времени ими пользовались только для некоторого предварительного описательного представления о системе. В последнее время появились попытки
формализованного отображения этих процессов и в сложных организационных системах,
помогающие выявлять параметры, влияющие на их протекание и взаимосвязь.
Развитие. Исследованию процесса развития, соотношения процессов развития и
устойчивости, изучению механизмов, лежащих в их основе, уделяют в кибернетике и теории
систем большое внимание. Понятие развития помогает объяснить сложные термодинамические и информационные процессы в природе и обществе.
Цель. Применение понятия "цель" и связанных с ним понятий целенаправленности, целеустремленности, целесообразности сдерживается трудностью их однозначного толкования
в конкретных условиях. Это связано с тем, что процесс целеобразования и соответствующий
ему процесс обоснования целей в организационных системах весьма сложен и не до конца
изучен. Его исследованию большое внимание уделяется в психологии, философии, кибернетике. В Большой Советской Энциклопедии цель определяется как "заранее мыслимый результат сознательной деятельности человека". В практических применениях цель – это идеальное устремление, которое позволяет коллективу увидеть перспективы или реальные возможности, обеспечивающие своевременность завершения очередного этапа на пути к идеальным устремлениям.
В настоящее время в связи с усилением программно-целевых принципов в планировании исследованию закономерностей цели образования и представления целей в конкретных
11
условиях уделяется все больше внимания, например, энергетическая программа, жилищная
программа и другие.
1.3. Классификации технических систем
Существует множество классификаций технических систем. Остановимся на одной из
них, которая позволяет обнаружить связи между сложными элементами со скрытыми отношениями технических систем.
Перечислим те аспекты, которые принимаются во внимание при проведении классификации технических систем и весьма характерны для методической работы конструктора,
технолога и людей, занимающихся эксплуатацией технических объектов.
Рассмотрим некоторые принципы классификации технических систем, которые важны
с нескольких точек зрения: проектировщика, конструктора и с позиции эксплуатации.
Технические системы могут быть классифицированы по следующим признакам [42].
По уровню сложности. Например, в порядке убывания сложности: жилой микрорайон со всей инфраструктурой; строительная технологическая машина, например экскаватор или любые другие машины; двигатель автомобиля или его привод; узлы или конструктивные элементы грейдера.
Такая классификация технических систем относится к делению систем на классы
по их структуре. Хотя основным признаком, по которому образуются классы, может служить функция системы, однако, учитывая потребности производства, и исходя из соображения монтажа, возникает необходимость в проведении иной классификации. В силу организационных причин технические системы целесообразно разделять на подсистемы.
В общем виде любую сложность можно представить как связь уровней сложности составляющих ее частей [42] типа: сложная система (микрорайон или жилой комплекс) ↔
техническая система (строительная машина – экскаватор) ↔ подсистема (обеспечением
топливом двигателя автомобиля) ↔ подгруппа (узлы подвески) ↔ элемент (деталь – маховик).
На более высоких уровнях сложности можно различать еще и промежуточные уровни. Здесь речь идет об относительной иерархии. Одна и та же система более низкого уровня, например, коробка передач или электромотор в одной системе рассматривается как подгруппа, а в другой системе – как группа или машина (подсистема).
Нижние уровни технических систем находят более универсальное применение;
например, элемент «винт, болт» и т. п. применяется в машиностроении повсеместно.
Классификация технических систем по уровню сложности полезна в работе конструктора. Так, уровень сложности:
находится в определенном соотношении со степенью сложности решения поставленной перед конструктором задачи;
предполагает установление известных границ для специализации конструктора,
например, инженер–конструктор – с автомобилем, конструктор деталей – с элементами
машины);
помогает конструктору ориентироваться в процессе работы; так, если он решает задачу на каком–то определенном уровне сложности, ему важно знать то, как его задача
согласована с более высоким уровнем.
на основании сборочного чертежа отдельные уровни сложности можно рассматривать как совокупности процессов изготовления и монтажа.
образование соответствующих совокупностей, прежде всего из деталей, подгрупп и
групп, является необходимым условием для конструктора при создании модульных
конструкций, а также целесообразной организации производственного процесса.
По типу операнда бывают технические системы для преобразования материи, энергии, информации, биологических объектов, процессов и др.
12
Применение этого принципа классификации позволяет осуществить разделение машинных систем на машины для переработки материи (доменные печи, химические реакторы), машины для переработки энергии (двигатели). Однако при рассмотрении технической
системы как системы, осуществляющей действие, такое деление может оказаться втори чным, а потенциальное применение данной технической системы может не ограничиваться
названным типом операнда.
По функции и характеру функционирования. Например, это системы для различных
условий функционирования, в том числе окружающей среды (для тропического или северного климата); мощностные, скоростные, импульсные технические системы и другие.
Название технических систем часто выбирается по соответствию с их функцией. Так,
составление номенклатур изделий применительно к требованиям сбыта, планирования,
сравнительной оценки, контроля и другие осуществляется в соответствии с функцией технических систем.
Изделия обозначаются по функции также в тех случаях, когда требуется помочь п отенциальному потребителю найти то или иное техническое средство для выполнения определенной функции: этому служат торговые и промышленные каталоги, обзорные таблицы.
Классификацию узлы и детали строительных машин целесообразно проводить по
функции, так как конструктор, производственник и эксплуатационник применяют разли чные детали в соответствии с их функциональной пригодностью.
Такую классификацию обычно называют конструктивно – функциональной. Наряду с
классификацией по способу изготовления она является основной при заимствовании существующих технических систем, унификации, типизации и стандартизации элементов и
групп. Классификация по этим принципам позволяет экономить время конструктора.
Провести полную конструктивно–функциональную классификацию элементов и узлов, используемых в различных отраслях техники, чрезвычайно трудно в силу их многообразия. Однако следует учитывать общие принципы. В этом случае при классификации исходят из того, как используется множество элементов и узлов, выполняющих в различных
отраслях техники одну определенную функцию.
Такой подход позволяет говорить о едином понимании таких элементов, как крепежные детали, соединительные муфты, редукторы, измерительные, регулирующие и сигнальные приборы, гидравлические и пневматические приборы и их части, специализированные
электротехнические устройства.
По принципу осуществления рабочего действия. Например, технические системы, основанные на механическом, гидравлическом, пневматическом, электронном, химическом,
оптическом, акустическом принципах; по функции (рабочему действию) - например системы для вращения, фиксации, придания формы, подъема и др.
Классификация технических систем по принципу действия важна тем, что системы,
выполняющие одинаковые функции, могли быть сгруппированы по еще какому-либо
важному признаку.
Так, например, системы «промышленные печи» можно подразделить по принципу действия: печи электрические, газовые, печи на твердом и жидком топливах. В свою очередь,
электрические печи можно подразделить по используемому физическому принципу на
электрические печи сопротивления и индукционные электропечи.
По характеру функционирования можно различать печи непрерывного действия и печи с прерываемым рабочим циклом – камерные печи.
Печи непрерывного действия также можно классифицировать по способу транспортировки изделий: конвейерные, роликовые, печи с шагающим подом и другие.
По степени конструктивной сложности. Учитывают степень сложность выполняемых функций, форм, оригинальности конструкции, структуры в целом. Точки зрения на
конструктивную сложность пересекаются с указанными выше уровнями общей сложности.
Критериями оценки степени конструктивной сложности служат: оригинальность конструкции, сложность выполняемых функций, форм, структуры в целом; сложность расчетов;
13
размеры, необходимые точность их выполнения и качество обработки; особые требования,
предъявляемые к таким характеристикам, как масса, технологичность конструкции, затраты, требования к внешнему виду.
При планировании конструкторской работы степень конструктивной сложности разрабатываемой технической системы служит критерием для установки определенных временных
рамок инженерной работы.
В качестве примера классификации деталей машин по степени конструктивной сложности рассмотрим технические системы определенного уровня сложности. По степени их конструктивной сложности её целесообразно разделить на несколько категорий. При этом, в зависимости от уровня сложности рассматриваемой технической системы для решения связанных с ней проблем выбирается соответствующий специалист или группа специалистов.
В качестве примера укажем степень конструктивной сложности (СКС) деталей разных
уровней.
Первый уровень – это СКС–1. К нему относятся очень простые детали с небольшим
количеством контрольных размеров невысокой точности (шайба, небольшой вал, болт, крепежная скоба).
СКС–2 – простые детали с большим количеством контрольных размеров (рычаг, шкив,
простое штампованное изделие).
СКС–3 – более сложные детали (шестерня, шлицевой вал).
СКС–4 – сложные детали с большим количеством контрольных размеров (сложные
отливки, небольшие поковки).
СКС–5 – очень сложные детали (сложные отливки и поковки средних размеров).
СКС–6 – очень сложные и большие детали (каркасы, сварные или литые станины).
СКС–7 – особо сложные детали больших размеров и необычной формы с точным выдерживанием большого количества контрольных размеров (лопасти турбины, большие поковки, прецизионные отливки сложной формы).
По степени патентоспособности и оригинальности конструкции, например, обладающие патентоспособностью, оригинальные технические системы, заимствованные, доработанные, модифицированные.
При разработке каждой новой строительной технологической машины конструктор
всегда старается использовать хорошо зарекомендовавшие себя на практике узлы и детали.
По степени оригинальности конструкции технические системы можно разделить на
следующие категории: заимствованные, доработанные, модифицированные и новые технические системы.
При разработке конструкции машины конструктор выбирает из наиболее подходящих
уже существующих технических систем необходимые функции и элементы, их обеспечивающие.
В первую очередь к заимствованным относятся унифицированные элементы типа
болт, пружины, вентили и другие, а также неунифицированные элементы и группы, которые
заимствуют из других конструкций. Доработка технической системы проводится исключительно в целях приспособления ее к особым условиям и требованиям новой задачи, а
новые материалы используются только в целях повышения качества, удешевления или
модернизации.
В модифицированной конструкции обычно не изменяются лишь функции, некоторые параметры и принцип действия. В элементах могут быть изменены форма, размеры,
материал или технология. В сложных технических системах обычно изменяются органоструктура и конструктивная схема. Как правило, модификация осуществляется путем
переделки конструкции. Если для выполнения желаемой функции отсутствует система,
а существующая имеет недостатки принципиального характера, то применяют конструкции с новым принципом действия и другими техническими свойствами.
По степени стандартизации и происхождению. Такая классификация очень важна
для оценки экономичности конструкции.
14
По степени стандартизации технической системы можно судить о целесообразн ости и возможных масштабах ее производства в рамках данного предприятия, что важно
для организации серийного или массового производства.
В этом случае выражается соотношение долей элементов отдельных категорий
стандартизованных деталей и узлов с общим количеством всех конструктивных элементов, деталей и узлов в технической системе.
С экономической точки зрения элементов сложного происхождения должно быть
как можно меньше в системе, поскольку они характеризуют требования, предъявляемые
к конструкторской и технологической подготовке производства. Хотя в силу каких–
либо причин, эти соображения не являются решающими, но соотношения отдельных
элементов в машине, то есть степени стандартизации, надо знать.
По типу производства различают системы, изготовленные в условиях единичного,
серийного или массового производства.
Тип производства придает каждому изделию ряд характерных технических и экономических свойств. Поэтому следует различать системы, созданные в единичном или
поштучном производстве.
В этом случае конструкторские и подготовительные работы необходимо приспособить к нуждам производства, в условиях которого стоимость каждой изготовленной
технической системы своя.
Иногда в условиях единичного производства необходимая функция технической
системы не достигается, поскольку при изготовлении крупных технических систем приходится работать без прототипа. Поэтому к этой категории систем предъявляют высокие требования.
Технические системы серийного или массового производства лучше проработаны с
точки зрения производства. При реализации этих производств, чтобы избежать погрешности и дефектов, необходимо осуществлять непрерывный контроль всех операций выпуска деталей. Поэтому при серийном и массовом производстве в целом добиваются
высокого качества.
Классификация по способу изготовления иллюстрируется следующим примером:
изготовленные путем литья, штамповкой, ковкой, механообработкой. При изготовлении
деталей, которые сгруппированы по классам, требуется однотипное технологическое
оборудование, которое можно положить в основу своей классификации.
Если исходить из принципа сходства технологии операций изготовления, где главным отличием будет служить форма поверхности детали и метод её формирования, то
получают удобную и рациональную технологию создания деталей.
Такая классификация позволяет провести высокоэффективную технологическую
подготовку производства, методов управления и планирования им. Все это дает возможность сконцентрировать операции на небольшом количестве технологического оборудования и объединить рабочие места для производства одинаковых по способу изготовления деталей.
По способу упорядочения различают уровни технической системы, например установки с упорядочением подсистем по способам их действия или технологии.
По материалу выделяют технические системы из стали, меди, пластмассы.
По форме выделяют технические системы (конструктивные элементы) в виде тела
вращения, плоские, сложной формы и т. д.
По названию фирмы-изготовителя. Здесь приведем пример – технические системы
заводов «КАМАЗ», «БелАЗ».
По месту в техническом процессе различают системы по эксплуатационным свойствам, по внешнему виду, по технико-экономическим характеристикам и т. п.
Отметим, что одна и та же техническая система может принадлежать одновременно к
нескольким классам.
15
1.4. Основные свойства систем, обеспечивающих высокую
работоспособность строительных и дорожных технологических машин
Повышение работоспособности любой технической системы, в том числе строительной
технологической машины, в первую очередь, связано с повышением качества самой системы, её объектов, структуры и т. д. Однако, в конечном итоге, многое сведется к управлению
свойствами объекта. Поэтому важно знать как можно больше о свойствах технической системы и направлять работу по её совершенствованию посредством управления свойствами
как подсистем, так и отдельных элементов. Рассмотрим возможности управления свойствами
исследуемого объекта – технологическими дорожными и строительными машинами.
В работе В. Хубки [42] есть интересные рассуждения о свойствах технических систем.
Проведем их анализ.
Нередко при исследовании технических систем приходится задавать вопросы, начинающиеся со слов, характеризующих, например, дорожную машину – «какая у неё максимальная скорость? какой расход горючего? какова надежность? какова производительность?
Ответ на некоторые из этих вопросов гласит: машина имеет максимальную рабочую
скорость 20 км/ч, расход горючего 32 л/100 км. Все, кто привык к количественным оценкам,
согласятся с этим.
Однако тот же ответ мог бы прозвучать и так: машина движется довольно-таки быстро;
у неё немалый расход горючего.
Такая характеристика уже не однозначна. Она относительна, поскольку неизвестно, какая скорость понимается под словом «быстро»: то ли 50, то ли 90 км/ч.
Чтобы избежать неопределенности, мы можем вопрос уточнить: сколько кубометров
грунта и на какое расстояние может переместить рабочий агрегат за один час работы и как
быстро он сможет переместиться на расстояние пять километров до нового объекта?
Вопрос, начинающийся со слова «сколько», очень важен, так как, зная ответ, мы можем
дать количественную оценку рассматриваемому свойству объекта, то есть указать его величину и произвести сравнительную оценку с другим вариантом подобной машины.
Сложнее ответить на вопрос: какова надежность этой машины? Ответ может быть следующим: она надежна, или не очень надежна, или не знаю точно. Это, естественно, относительная характеристика, зависящая от того, какими соображениями руководствуется тот, кто
оценивает объект.
Можно сформулировать определение надежности, включив туда определенные параметры и свойства, и тем самым получить количественную оценку этого свойства. Тогда можно было бы применительно к надежности ответить на вопрос «сколько?».
Однако это тоже не просто. Ведь есть другой фактор. Так, водитель, у которого комбинированная поливомоечная машина в течение шести месяцев отказывала всего лишь три раза,
будет считать машину более надежной, чем та машина, которую он прежде ремонтировал
каждые три недели. Ясно, что его мнение будет не совпадать с мнением руководителя, который выскажется: зачем мне такая машина, которая трижды выходила из строя за полгода. Руководитель прав.
Труднее ответить на следующий вопрос: какой внешний вид у комбинированной поливомоечной машины? В ответ можем услышать следующее: машина некрасивая, дизайн плох и
т. п. Признаем, что это очень неопределенная оценка. Ведь речь идет о параметре, изменяющемся во времени, причем субъективно, а технические характеристики вполне приемлемы.
Такая оценка стала бы более определенной, если бы она делалась путем сравнения с
другой машиной или системой. При этом оценка внешнего облика другой машины приобрела
бы значение объективного критерия.
Теперь мы видим, что определенную трудность представляет собой выбор свойства для
характеристики той или иной технической системы. Однако о том же самом объекте – автомобиле, на котором установлено крановое оборудование для обслуживания строи тельства
16
объекта, можно, например, спросить следующее. 1. Какой у двигателя автомобиля-базы коэффициент сжатия? 2. Какова скорость на трассе? 3. У него передний привод или задний?
Подобные вопросы могут возникнуть в разговоре специалистов, так как упомянутые
параметры определены для них; им известно, хорошо это или плохо, если, например, коэффициент сжатия составляет 10:1, скорость вращения двигателя равна 7000 мин –1 , а привод у
него – классический. Эти примеры в общих чертах обрисовывают проблематику свойств технической системы и их оценки. Через те или иные свойства дается характеристика технической системы. При этом для объективного анализа важно, чтобы оцениваемые свойства и
критерии оценки могли быть определены количественно.
Принято, что широкое толкование понятия «свойство» включает функцию, производительность, размеры, удобство обслуживания, транспортабельность, технологичность.
Однако самое важное, чем можно охарактеризовать техническую систему, – это наличие у
нее желаемых свойств, поскольку техническая система является лишь исполнителем необходимой рабочей функции и соответственно предполагаемого поведения.
Во взаимосвязи с функцией находится целый ряд других свойств: удобство эксплуатации и обслуживания, ремонтопригодность и т. д. Наряду с этим имеется множество других
свойств, которыми должна обладать техническая система (например, определенные прочность, габариты, форма), чтобы обеспечивалось желаемое функционирование.
Создавая или заказывая техническую систему, мы определяем не только то, что эта система должна делать, а одновременно устанавливаем ее желаемые свойства. На этапе п остановки задачи принято называть желаемые свойства технической системы требованиями. Таким образом, чтобы отвечать предъявляемым требованиям, техническая система
должна не только выполнять желаемую рабочую функцию, но и обладать в известной мере
определенными свойствами.
Техническая система всегда является носителем самых различных свойств, но только
мера этих свойств (ценность) имеет решающее значение. Совокупная ценность системы, обладающей многочисленными и разнообразными свойствами, определяется сочетанием оценок всех этих свойств.
Общие признаки технических систем. Технические системы характеризуются рядом признаков. Первыми признаками являются многообразие элементов системы и сложность взаимосвязей, не имеющие аналогов в других областях.
Номенклатура в машиностроении (автомобилестроении), без учета типовых вариантов,
включает в себя десятки тысяч различных деталей технических систем.
Следующей особенностью является многообразие функций, выполняемых этой номенклатурой деталей, они имеют также множество других свойств, определяющих особые признаки, – это функциональная структура, органоструктура, конструктивная схема.
Хотя различные технические системы функционируют по-разному, целью функционирования всегда остается осуществление преобразований; в нормальных рабочих условиях
оно детерминированно и им можно управлять. В случае повреждения системы ее функционирование нарушается.
Значительную часть технических систем составляют сложные и очень сложные системы, состоящие из тысяч и десятков тысяч элементов. Изготовление современных изделий требует дорогостоящего оборудования, автоматизированных производств, дорогостоящих систем организации и управления производствами и т. п.
Основными материалами для изготовления технических систем являются металлы,
преимущественно сталь и полимеры. Следствием такой сложности и специфики является
высокая стоимость технических систем.
Категории свойств технических систем. Все многочисленные и разнообразные
свойства технических систем можно классифицировать по различным категориям.
Есть общепринятая классификация групп возможных свойств:
1) количественные (параметры); 2) геометрические; 3) механические;
4) тепловые; 5) электрические и магнитные; 6) оптические;
17
7) акустические; 8) химические; 9) производственные и монтажные;
10) эксплуатационные.
При этом существует более полная классификация, её основные особенности таковы
[42]. Первая группа отражает свойства объектов по способу их установления: внешние
(форма, размеры, цвет) и внутренние (отношений между элементами системы и свойствами
элементов, которые определяются структурой) свойства.
Вторая – это классификация свойств по причинной связи. В соответствии с этим
различают: входные воздействия (причина) и функции (следствие). Между входными воздействиями и функциями существуют причинные отношения. Приведем примеры причинных
отношений в технических системах: высокая температура свечи накаливания является причиной воспламенения сжатой топливной смеси; недостаточная жесткость станины токарного
станка является причиной погрешности обработки деталей, используемой в дорожной или
строительной машине. Временная последовательность причины и действия проявляется в
виде процесса.
Третья группа включает классификацию свойств по функциональным зависимостям.
Объекты подразделяются на зависимо изменяющиеся (например, зависимость между скоростью движения объекта и его кинетической энергией; давлением и уровнем жидкости; скоростью потока и диаметром трубы; прочностью и температурой материала) и независимо
изменяющиеся (материал, форма, габариты) свойства.
Одни и те же свойства в различных системах могут выступать как зависимые или
независимые. Особое место в классификации занимают свойства по потребности в конструкторской работе.
Примерный перечень соответствующих категорий свойств дан в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Классификация свойств технических систем
по потребности в конструкторской работе [42]
Категория свойств
Функция F
Действие W
Функционально
обусловленные свойства Bd
Производственные
свойства Be
Эргономические
свойства Erg
Эстетические свойства Аи
Манипуляционные
свойства Di
Характеристики поставок
и планирования LP
Правовые нормы GN
Технологические
свойства Fe
Экономические
свойства We
Конструктивные
свойства Ко
Качество изготовления Не
Примеры свойств
Рабочая функция
Вспомогательная функция. Подготовительная
функция. Управления и регулирования. Функция согласования
Производительность. Скорость. Размеры. Масса.
Грузоподъемность. Функциональные параметры
Безопасность эксплуатации. Расход энергии. Надежность.
Срок службы. Ремонтопригодность. Занимаемая площадь
Удобство обслуживания. Способы обслуживания.
Виды помех. Требования к оператору
Форма. Цвет. Удобство. Привлекательность
Соответствует условиям транспортировки. Пригодна для пуска в ход.
Соответствует условиям хранения и упаковки
Доступность.
Продукция серийного или единичного производства
Соответствует юридическим нормам. Нарушение патентного права.
Соответствует требованиям коллективного договора
Соответствует технологии.
Соответствует условиям монтажа
Эксплуатационные расходы. Издержки производства. Цена.
Экономическая эффективность
Структура. Форма. Габариты. Материал. Качество поверхности.
Поле допуска. Тип производства
Изготовитель. Достоинства и недостатки изготовления
18
Есть классификация свойств по возможности их количественного определения. В
этом случае свойства технической системы могут быть подразделены на такие:
определяемые легко; определяемые с трудом и не определяемые количественно.
Следующая классификация свойств по их значимости.
В этом отношении свойства подразделяются на следующие:
а) очень важные и незаменимые (функция безопасность);
б) важные (например, надежность, срок службы, цена);
в) менее важные (например, отсутствие необходимости в упаковке, в озможность
длительного хранения);
г) несущественные для функционирования свойства (например, внешний вид, цвет).
Далее следует классификация свойств по их физической сущности.
Свойства можно классифицировать по их физической сущности следующим образом:
а) геометрические свойства, например ширина, высота, симметрия, форма, межосевое расстояние, угол;
б) кинематические свойства, например: скорость, ускорение;
в) механические свойства, например: прочность, упругость, герметичность;
г) тепловые свойства, например: нагрев, теплопроводность, тепловые потери, теплоизоляция;
д) электрические и магнитные свойства, например: емкость, напряжение, сопротивление, электрическая проводимость;
е) оптические свойства, например: фокусное расстояние, преломление, отражение,
поляризация;
ж) акустические свойства, например: поглощающая способность, эхо, шум, звуковая
частота;
з) химические свойства, например: химическая активность, коррозия, концентрация
и другие.
Таковы общие сведения о свойствах технических систем, каковыми являются машины строительного комплекса.
Контрольные вопросы
1. Что такое понятие «система» и «техническая система»?
2. Является ли любая строительная технологическая машина технической системой?
3. Укажите основные свойства машины строительного комплекса как технической системы?
4. Как в символах описывают техническую систему « машина»?
5. Из каких элементов и подсистем состоит строительная машина?
6. Что такое структура машины?
7. Какие процессы определяют понятие «поведение системы»?
8. Перечислите принципы, по которым классифицируют системы.
9. Какие основные группы возможных свойства есть у системы?
10. Назовите основные категории свойств технических систем.
11. Что такое манипуляционные свойства Di машины?
12. Что такое функционально обусловленные свойства Bd машины?
13. Что такое эргономические свойства Erg машины?
14. Что такое производственные свойства Be машины?
15. Что такое экономические свойства We машины?
19
Глава 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАШИНАХ СТРОИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА,
ИХ ПАРАМЕТРЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
2.1. Классификация машин строительного комплекса (МСК), типажи
Для механизации строительно-монтажных работ, эксплуатационного содержания
объектов и инженерного обеспечения объектов применяются различные машины и установки, в дальнейшем называемые технологическими машинами. Номен клатура и типоразмеры этих машин достигают нескольких сотен. Для успешного изучения, управления и
обслуживания машин строительного комплекса необходима их четкая классификация. В
настоящее время существует несколько принципиально отличительных классификаци й
машин. Мы предлагаем следующий подход к классификации технологических машин.
Во-первых, следует рассматривать исследуемый объект как техническую систему. Это
позволяет обнаружить связи между сложными элементами любой машины со скрытыми отношениями технических систем.
Укажем аспекты, которые следует принимать во внимание при проведении классификации технических систем, которые характерны для методической работы конструктора,
технолога и людей, занимающихся эксплуатацией технических объектов.
Известна классификация технических систем [42], (см. п. 1.3), в которой указан ряд
признаков. Приведем применение указанных классификаций к строительным технологическим машинам.
Так, разделение по уровню сложности можно понимать как связи уровней сложности
составляющих ее частей типа – сложная система (строительный объект) ↔ техническая система (экскаватор или бульдозер–рыхлитель). Такая классификация обеспечит деление систем на классы по их структуре.
По типу операнда, например, технические системы, есть строительная технологическая машина, предназначенная для преобразования материи, энергии, информации, биологических объектов и т.д.
Для функций и характера функционирования может быть приведен такой пример:
технические системы для различных условий функционирования с учетом окружающей
среды, а именно для тропического или северного климата. Другой пример – это мощностные, скоростные, импульсные и другие подобные признаки.
Для принципа осуществления рабочего действия пример таков: технические системы,
как – то экскаваторы, где есть узлы на основании механических, гидравлических, пневматических, электронных и других принципах.
Для степени конструктивной сложности учитывают степень сложность выполняемых
функций, форм, оригинальности конструкции, структуры.
По типу производства различают строительные технологические машины, изготовленные в условиях единичного, серийного или массового производства, то есть типично для
производства искомых машин.
Ниже изложим свое видение направлений классификаций, во многом совпадающее с
работами других авторов, но и отличающееся от них.
Основным следует считать классификацию по производственному (технологическому) признаку, согласно которой все инженерные технологические машины разделены на
следующие классы:
тягачи и транспортные машины (гусеничные и колесные тягачи, автомобили, прицепы
и т. п.);
машины для земляных работ (землеройные, землеройно-транспортные, профилировочные и т. д.);
инженерные машины, связанные с обеспечением штатного функционирования инфраструктуры специфичного строительного объекта, например аэродрома или гидростанции, в разных ситуациях и климатических поясах, включая учет времени года;
20
технологические машины для строительства и эксплуатационного содержания дорог и спецплощадок (взлетно-посадочных полос и другие), машины для зимнего и
летнего содержания и т. д.;
подъемно–транспортные и погрузочно-разгрузочные технологические машины
(краны, подъемники, элеваторы, транспортеры, погрузочные и разгрузочные машины, включая специальные машины);
технологические машины для бурильных и проходческих работ (бурильные породопогрузочные машины, комбайны, щиты, установки для замораживания и цементации грунтов и др.);
машины и оборудование для заготовки, подготовки и обработки разных материалов
(дробильно-сортировочное, лесопильное оборудование).
Каждый из перечисленных классов может быть разбит на более узкие группы, в которых объединяются машины для выполнения определенных видов работ. Так, технологические машины для земляных работ состоят из групп землеройно-транспортных землеройных, профилировочных, грунтоуплотняющих и других машин.
Каждая группа, в свою очередь, включает в себя машины различных типов, отличающихся рабочим органом, конструкцией, способом выполнения рабочих процессов.
Например, в состав группы землеройных машин входят экскаваторы, канавокопатели,
грейдер – элеваторы и др.
В свою очередь, каждая группа делится на машины различных моделей (типоразмеров), отличающихся ходовой частью, размерами, весом, производительностью и другими
параметрами. Например, бульдозеры бывают на гусеничном или колесном ходу, они делятся на легкие и тяжелые и т.д.
Строительные технологические машины в каждом классе и каждой группе разделяются также по режиму работы, типу силовой установки, типу трансмиссии, системам
управления и по подвижности.
По режиму работы технологические машины делятся на машины периодического
(цикличного) действия и машины непрерывного действия. У машин цикличного действия
рабочий процесс чередуется с холостым ходом. Примером такой машины может служить
одноковшовый экскаватор. Машины непрерывного действия выполняют рабочую операцию непрерывно. К таким машинам, например, относятся [24] ленточные и пластинчатые
транспортеры (конвейеры), конусные дробилки и др.
По типу силовой установки различают машины с двигателями внутреннего сгорания
и электродвигателями. Кроме того, применяются комбинированные установки, у которых
основной двигатель, обычно дизель, являясь первичным источником энергии, приводит в
действие электрический генератор, гидравлический насос или компрессор.
По типу трансмиссии (силовой передачи), связывающей рабочие органы с силовой
установкой, машины бывают с механической, гидравлической и комбинированной силовой передачей.
По системе управления машины делятся на машины с механической, электрической,
пневматической, гидравлической или комбинированной системой управления. Многие современные машины оборудованы автоматизированной системой управления, поддерживающей заданный режим работы машины или автоматически изменяющей его по заданной
программе.
По типу подвижности машины также разделяют на стационарные (неподвижные) и
передвижные, которые бывают прицепными и самоходными. Самоходные машины, как
правило, имеют ходовую часть или базовый тягач, на котором смонтировано технологи ческое оборудование. Наличие повышенной мобильности обеспечило преимущественное
распространение самоходных машин. Для ограничения номенклатуры машин разрабатывается типаж машины, благодаря которому сокращается число типов машин одного назн ачения до обоснованного минимума.
21
Такой нормализованный ряд машин называют типажом.
Главным параметром типажа служит показатель, определяющий эксплуатационную
характеристику машины. К показателям типажа относятся: производительность, мощность силовой установки, емкость рабочего органа (топливозаправщика, ковша), вес машины, рабочие скорости и т. д.
Отметим, что разработка и введение типажа – это важные предпосылки для специализации машиностроительных предприятий. Они имеют большое экономическое значение, так как при этом обеспечивается повышение производительности труда при производстве машин и при их эксплуатации. При этом экономятся материальные ресурсы, сн ижается себестоимость продукции и упрощается техническое обслуживание парка машин,
находящихся в эксплуатации. Последнее обстоятельство приобретает особо большое значение для строительных технологических машин, применяемых в отрасли, так как при
этом имеет место унификация узлов и деталей.
Отечественными заводами выпускается достаточное количество различных машин и
оборудования, отличающихся по производительности и характеру выполняемых операций.
Хотя наличие разнотипных машин на объектах затрудняет их производственную эксплуатацию, однако общим должен оставаться единый подход к техническому обслуживанию,
ремонту и снабжению запасными частями строительных машин. Рассмотрим это на примере единства классификаций строительных технологических машин.
Классификация строительных технологических машин – это система, основанная на
распределении машин по совокупности признаков их сходства и различия, а также взаимосвязей. Она предполагает деление на различные классификационные подразделения
(уровни). Согласно общему классификатору промышленной продукции строительные машины отнесены к классу «Строительные и дорожные машины» (рис. 2.1), который делится
на подклассы, группы, подгруппы, виды, подвиды и индексы.
При этом класс – подразделение машин, объединенных общностью назначения в
строительстве.
Подкласс – подразделение машин для определенного вида работ. Примеры подклассов для экскаваторов и кранов таковы: строительные машины – для землеройных работ;
дорожные машины – грузоподъемные.
Группа – подразделение машин, сходных по принципу действия (экскаваторы; краны
грузоподъемные).
Подгруппа – машины, объединенные принципом действия, методом выполнения технологической операции, конструктивной схемой, а также ограниченное величинами главного параметра. Примеры: экскаваторы одноковшовые полноповоротные с ковшом вместимостью 0,15…4,0 м3 ; краны стреловые самоходные грузоподъемностью 4…250 т).
Вид – разновидность данной подгруппы (экскаваторы одноковшовые с ковшом вместимостью 025 м3 ; краны стреловые самоходные грузоподъемностью 25 т).
Подвид – разновидность, отличающаяся конструктивным исполнением, например,
ходового устройства (экскаваторы одноковшовые гусеничные; краны пневмоколесные).
Индекс – конкретное обозначение модели машины данного подвида (экскаватор одноковшовый гидравлический ЭО–4123; кран пневмоколесный электрический КС–5363А).
Схемы классификации машин для земляных работ, а также грузоподъемных прив едены на рис. 2.1 и 2.2 [3].
Укажем некоторые параметрические ряды и типажи строительных технологических
машин, присваиваемые им заводами-изготовителями в соответствии с стандартами ГОСТ.
Иногда индексы машин отличаются от обозначений ГОСТ.
Для экскаваторов, стреловых и башенных кранов принята комбинированная индексация, включающая следующие характеристики: 1-я цифра – размерная группа, 2-я – тип
ходового устройства. 3-я – исполнение рабочего оборудования, 4-я - порядковый номер
модели.
22
Машины для
земляных работ
Землесосные
снаряды
Бурильнокрановые
Гидромониторные
машины
Машины
трамбовочные
Катки
самоходные
Машины для
комбинированного
Способа
работ
Катки
вибрационные
Плиты вибрационные
Драглайн
Грейфер
Канатный
Штанговый
Элеваторная
загрузка
Рис. 2.1. Классификация машин для земляных работ
23
Прямая
лопата
Ковш стандартный
Обычная
загрузка
Пневмокатки
Металлические вальцы
Пневмоколесные
Кулачковые
Автогрейдеры
Грейдеры
Прицепные
Элеваторы
Бульдозеры
Скреперы
Цепные
Роторные
Самоходные
Пневматические
Прицепные
Гусеничные
Поперечного копания
На
автошасси
Продольного копания
Одноковшовые полноповоротные
Одноковшовые неполно
поворотные
Планировщики
Катки
прицепные
Планировщики
Непрерывного
действия
Динамического
действия
Корчеватели
Землеройнотранспортные
машины
Бурильные
Обратная
лопата
Ковш увеличенный
Циклического
действия
Статического
действия
Ковш погрузочный
Экскаваторы
Машины
для вспомогательных
работ
Машины
для
гидромеханизации
работ
Машины
для
образования
скважин
Кусторезы
Машины
для
уплотнения
грунта
Землеройные
машины
По конструкции
грузозахватного
органа
По роду
привода
Портальные
Гусеничные
Крюковые
24
Гидравлические
Переменного тока
Электрические
Грейферные
Рис. 2.2. Классификация грузоподъемных машин [3]
Переставные
Прицепные
Стационарные
Стреловой
Механические
Постоянного тока
Магнитные
Реечные
Винтовые
Гидравлические
Краны
Кабельно–мостовые
Кабельные
Плавучие
Железнодорожные
Мачтовые
жестконогие
Мачтовые вантовые
Тяговые
Подъемные
Выжимные (вышки)
Автомобильные гидравлические
Грузопассажирские
Мачтовые
строительные
Мачтовые
монтажные
Гидравлические
Классификационные признаки
Лебедки
Самоподъемные
Приставные
Передвижные
Мостовой
Полупортальные
Башенные
Тракторные
Тип
Подъемники
Рельсовые
Стрелковые
самоходные
е
Полукозловые
Козловые
Мостовые
По конструкции
Колесные на
полуприцепе
Короткобазовые
На спец.шасси
автомобильного типа
Пневмопесковые
Автомобильные
По конструкции ходового
устройства
Грузоподъемные машины
Домкраты
Кабельный
Буквы в индексе, которые стоят после цифр, обозначают очередную модернизацию
(А, Б, В, Г...). Климатическое исполнение машины для умеренного климата не имеет
условного обозначения; для иных имеем: УХЛ – холодного климата, Т–тропическое, ТВ –
тропическое влажное.
Для башенных кранов предусмотрены такие обозначения: Г – для гидротехнического
строительства (КБГ); Р – для ремонта зданий (КБР); М – модульные краны (КБМ).
Номер размерной группы башенных кранов (номинальный грузовой момент, т–м),
первая (1) –до 25; вторая (2) – 60; третья (3) – 100; 4–я – 160; 5–я – 250; 6–я – 400; 7–я –
630; 8–я –1000; 9–я – более 1000.
Порядковые номера модели для кранов с поворотной и неповоротной башней соответственно 0...69 и 71...99.
Иногда ведомства присваивают свои индексы кранам. Примеры: СКГ–401 – специальный кран гусеничный грузоподъемностью 40 т, 1–я модель; ДЭК–252 – дизель –
электрический кран грузоподъемностью 25 т,
2-я модель;
МКГ–25БР монтажный кран гусеничный грузоподъемностью 25 т, башенное оборудование, с раздвижными тележками;
МКП–25 – монтажный кран пневмоколесный грузоподъемностью 25 т;
МКТТ–100– монтажный кран с телескопической стрелой на базе тягача, грузоподъемностью 100т;
МКАТ–40 монтажный кран автомобильный с телескопической стрелой, грузоподъемностью 40 т;
МСК–10–20 – монтажный специальный кран башенный грузоподъемностью 10 т,
вылет 20 м;
СМК–12 специальный монтажный кран грузоподъемностью 12 т;
АБКС–6 – автомобильный башенный кран для сельского строительства грузоподъемностью 6,3 т и др.
Грузопассажирским подъемникам присвоены индексы: ПГС–800 – подъемник грузоподъемностью 800 кг; МГПС–1000 – мобильный грузопассажирский строительный подъемник грузоподъемностью 1000 кг.
Автоподъемники и вышки индексируются различно, а именно:
АГП–28–автогидроподъемник, высота подъема 28 м;
ВС–18 – вышка строительная, высота подъема 18 м.
Для других групп строительных машин, оборудования и инструмента установлены
следующие буквенные обозначения:
ДЗ — бульдозеры, скреперы, автогрейдеры;
ДУ — машины для уплотнения грунтов;
СП — машины и оборудование для свайных работ;
БМ — бурильные и бурильно-крановые машины;
СБ — оборудование для бетонных работ;
СО — машины и оборудование для отделочных работ,
устройства полов и кровельных работ;
ТО — погрузчики одноковшовые;
ТА — машины для разгрузки цемента;
ТР — разгрузчики нерудных материалов;
ТП — подъемники мачтовые строительные;
ПГП — подъемники грузопассажирские;
ТЦ — автоцементовозы;
ЭТР — экскаваторы траншейные роторные;
ЭТЦ — экскаваторы траншейные цепные.
Ручные машины (инструменты) обозначают:
ИЭ – электрические; ИП – пневматические.
25
Параметрические (типоразмерные) ряды машин одного вида, различающиеся значением главного параметра, устанавливаются для сокращения выпуска типоразмеров машин,
возможности унификации, создания модификаций на базовых машинах, упрощения их
эксплуатации.
Ряды машин строятся на основе предпочтительных чисел, рядов главных параметров.
Например, для основных строительных машин в общетехнической классификации существуют следующие стандартные параметрические ряды.
Для экскаваторов одноковшовых: 0,15; 0,25; 0,4; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5 м3 .
Бульдозеры: класс тяги – 6; 10; 15; 25; 35; 50; 75 т.
Краны башенные: грузовой момент –100; 160; 250; 400; 630; 1000 т–м.
Краны стреловые самоходные: грузоподъемность – 4; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100;
160;: 250; 400; 630; 1000 т.
Разработки новых машин производятся с учетом перспективных типажей. Например,
типаж по ГОСТ стреловых кранов грузоподъемностью до 25 тонн таков: 2,5; 3,2; 4; 6,3; 10;
16; 25 т.
Разработаны и осваиваются стреловые краны, грузоподъемность которых отличается
от грузоподъемности типового ряда, например, автомобильный кран КС–3577 имеет грузоподъемность 12,5 т; автомобильный кран КС–4562 грузоподъемностью 20 т.
Краны на специальном пневмотягаче МАЗ–547А–КС–7571 и КС–8571 имеют грузоподъемность 80 и 125 т.
Регламентированы также следующие ряды: номинальных высот подъема; номинальных скоростей для грузоподъемных машин с гибким канатным подъемным органом; н оминальных частот вращения поворотной части; максимальных вылетов крюка и другие.
Укажем, что все строительные машины в РФ разрабатываются и изготовляются в соответствии с государственными и отраслевыми стандартами или техническими регламентами. Рассмотрим особенности и классификацию основных строительных машин.
Все технологические машины, применяемые для производства строительномонтажных работ и работ по строительству объектов инфраструктуры, делятся на машины
строительные и дорожные.
К дорожным также относятся: грунтосмесители, распределители дорожных смесей,
профилировщики оснований, бетоноукладывающие системы, нарезчики швов, фрезы, автогудронаторы и др.
Другая группа машин – это механизированный инструмент (ручные пневматические
и электрические).
Считается, что основой укрупненной классификации строительной техники, является
назначение машин. По назначению строительные машины и машины, используемые при
строительстве объектов, условно делятся на следующие подклассы [3].
1. Машины для земляных работ, включая разработку мерзлых грунтов и прокладку
труб.
2. Грузоподъемные машины для монтажных работ, краны.
3. Транспортные машины разного назначения, включая доставку, подачу бетонной
смеси; тягачи; платформы.
4. Машины для буровых работ.
5. Машины для свайных работ, самоходные копры.
6. Бетоноукладчики и машины для бетонных (железобетонных) работ, включая формирование профилей и различные виды обработки.
7. Дорожные машины.
8. Машины для отделочных работ.
9. Ручные машины (механизированный инструмент).
В качестве примера [3] в табл. 2.1 приведено деление строительных и дорожных машин на основные группы.
26
Основные классификационные группы строительных машин [3]
Машины
строительные
Для
землеройных
работ
Таблица 2.1
1
2
3
4
5
Землеройные
и
землеройнотранспортные
Грунтоуплотняющие
Для подготовительных
работ
–
Подъемно–
транспортные
Грузоподъемные
–
–
Для
буровых
работ
Общего
назначения на
базе экскаваторов, кранов,
тракторов, автомобилей,
спецшасси
Для
погрузочноразгрузочных
работ
Машины и
специальные
установки
Машины и
оборудование
для гидромеханизированных земляных
работ
Транспортирующие
–
–
–
Для
свайных
работ
Для
бетонных и
железобетонных работ
Для
отделочных
работ
Дорожные
Ударного
действия
Вибрационного действия
Вдавливающего действия
–
Бетоносмесительные
Транспортирующие
Бетоноукладочные
Ударно–
вибрационного действия
Машины и
оборудование
для арматур
Для
штукатурных
работ
Для
приготовления
грунтовых
смесей
Для
малярных
работ
Для приготовления асфальтобетонных и
других смесей
Для
устройства и
отделки полов
Для устройства дорожных покрытий
Для
индустриальной отделки
–
Для
устройства
кровли
–
Общего
применения
(сверлильные,
шлифовальные, фрезерные, полировальные)
Резьбозавертывающие
Ударного и
ударновращательного
действия
Для
обработки
металлов
Для
обработки
дерева
Ручные
Уплотняющие
Расширенная классификация указана в справочной литературе [3]. Она указывает на
следующую иерархию.
Первая – машины строительные общего назначения:
для землеройных работ;
оборудование сваебойное;
для бетонных и железобетонных работ;
для отделочных работ;
подъемно-транспортные.
27
Вторая – машины строительные специальные:
машины дорожные, которые подразделяются на следующие машины:
для устройства дорожных покрытий;
оборудование для приготовления асфальтобетонных смесей;
для приготовления грунтовых смесей;
для устройства железных дорог;
для устройства тоннелей;
устройства магистральных трубопроводов;
для устройства каналов;
установки для водопонижения;
для работ при реконструкции;
машины и оборудование для монтажа методом подъема этажей
Третья – машины транспортные общего назначения:
бортовые самосвальные автомобили;
прицепы и полуприцепы;
трейлеры;
тягачи и тракторы.
Четвертая – машины транспортные специализированные
автотранспортные средства; – средства воздушного транспорта;
средства водного транспорта;
средства со специальными движителями;
специальные тяжеловозы.
Пятая – ручные машины:
для обработки металла;
для обработки дерева;
для обработки камня.
Шестая – средства малой механизации:
средства вертикального транспортирования;
средства горизонтального транспортирования;
прочие средства.
На отдельные группы существует ещё более детальная классификация машин [6].
Она проводится по конструкции, виду рабочего органа, возможности перемещения, роду
привода, степени поворота, способу опирания и др.
Также действует классификатор, определяющий назначение и место строительных и
дорожных машин. Все они подразделяются на две группы в зависимости от диапазона
температур, при которых машины сохраняют свою работоспособность, а именно:
машины общего назначения, предназначенные для работы при температуре ±40 °С
(называют – исполнение У);
машины специальные, специального исполнения, предназначенные для работы при
температуре до – 60 °С (исполнение УХЛ) и машины для работы при температуре до + 60
°С (исполнение Т).
Другой пример классификации относится к классификации грузоподъемных кранов
по режимам их работы. Так, установлены:
классы использования СО ... СЭ, указывающие на зависимости от числа циклов работы крана за срок его службы;
классы погружения 0 ... 4 – зависимости от коэффициента нагружения;
есть также группа режима работы кранов в зависимости от класса использования и
класса нагружения.
Разбивка машин на их составные части – сборочные единицы – изображается с помощью классификационных схем, которые позволяют наглядно представлять конструк28
тивные исполнения машин данной группы, включая ходовые устройства, привод, рабочее
оборудование и рабочие органы, тип подвески, систему управления.
Классификационными схемами описаны все основные машины и инструменты, применяемые в строительстве зданий, сооружений, дорог и в целом по всей строительной индустрии, в том числе охвачены и инструменты механизации отдельных видов работ: подготовительных, земляных, свайных, монтажных и вертикального транспорта, погрузочноразгрузочных и других работ.
Общая схема классификации машин приведена в табл. 2.2.
В классификацию строительных технологических машин, относящихся к строительству
объектов и их инфраструктуры, а также к обеспечению штатного расписания их функционирования, попадают разнородные средства, машины и устройства.
В результате наличие сложных взаимосвязей в строительных объектах не дает возможность иметь однозначные и строгие группы в классификации машин, в том числе специальные. Предлагаем следующую классификацию средств, относящихся к общим и специальным строительным машинам. Эта классификация машин состоит из двух основных групп,
выделенных нами из общей классификации машин и обобщенно называемых строительные
технологические машины (СТМ) или машины строительного комплекса (МСК).
Таблица 2.2
Схема классификации строительных технологических машин
Специализированные
строительные машины
1. Автокраны специальные
2. Специальная комбинированная
поливомоечная машина
3 Вакуумно-нагнетательная
уборочная машина
4. Газоструйная машина
5. Машина комбинированная для поддержания
бетонных (асфальтобетонных) покрытий
6. Машина сопровождения
Основные строительные
машины
Автокраны и краны на шасси
автомобильного типа
Автогрейдеры и грейдеры
Автобетоносмесители
Автобетононасос
Автобетоновоз
Авторастворовоз
7. Пескоразбрасывающая машина
8. Снегоочистители шнекороторные
9. Топливозаправщики
Бульдозеры, бульдозеры-рыхлители
Бурильные машины
Грейферы
10. Тепловые машины гололедные
11. Тягачи
Грузовые прицепы-трейлеры
Грунтоуплотняющие машины-катки
Гусеничные и пневмоколесные
грузоподъемные краны
Машины для бестраншейной разработки
грунтов при прокладке труб
Машины для разработки мерзлых
грунтов (послойного фрезерования)
Машины и оборудование для подачи
бетонной смеси
Мототележки с кузовом-ковшом
Самоходные бетоноукладчики
Самоходные копровые установки
Сваебойные машины
Скреперы
29
Окончание табл. 2.2
Специализированные
строительные машины
Основные строительные
машины
Трамбующие машины
Цементовозы
Экскаваторы многоковшовые – роторные
Экскаваторы одноковшовые
2.2. Технологические строительные и дорожные машины.
Основные параметры и технические характеристики
Рассмотрим параметры и технические характеристики основных технологических машин строительного комплекса.
Бульдозеры. Бульдозер – самоходная гусеничная или колесная машина с регулируемым фронтально – расположенным отвалом, которая режет, перемещает и распределяет
материал при движении вперед, то есть служит для механизации земляных работ при послойном копании, перемещении, укладке и планировке грунтов и дорожно-строительных
материалов при рытье котлованов, устройстве дорожных оснований, засыпке траншей,
возведении земляных сооружений. Их характеристики зависят от параметров и базовых
тракторов, в качестве которых используют преимущественно самоходные гусеничные,
например Т–4АП2, Т–13, Т–130, Т–500, Т–800, ДЭТ–250М2 и др.
Основное отличие бульдозеров от исполнений других дорожно-строительных машин
заключается в наличии отвала, с помощью которого разрабатывается грунт и после образования призмы земля перемещается волоком к месту отсыпки или планирования. При
установке на бульдозер с тыльной части базового трактора рыхлительного оборудования
получают исполнение бульдозера-рыхлителя.
Бульдозеры классифицируют по назначению, типу ходового устройства, конструкции рабочего оборудования, тяговому классу базового трактора.
По назначению различают бульдозеры общестроительного назначения и специальные. Бульдозеры общестроительного назначения применяют на сосредоточенных и линейно–протяжных строительных площадках для разработки, срезания и перемещения грунтов.
Специальные бульдозеры предназначены для выполнения уникальных земляных работ
при прокладке дорог в тоннелях, перемещения сыпучих материалов в трюмах теплоходов,
строительстве трубопроводов под водой.
Бульдозеры характеризуются рядом основных параметров, к которым относятся: тяговый класс, мощность двигателя базового мотора, масса машины, скорость движения,
удельное давление на грунт, габаритные размеры. У бульдозера – погрузчика к основным
параметрам, в дополнение к перечисленным, относят угол опрокидывания и разгрузки
ковша, а также высоту выгрузки материала.
Основными параметрами рыхлителя являются количество исполнительных зубьев,
заглубление в грунт зуба, напорное и вертикальное усилия на наконечнике зуба.
Основными размерными показателями бульдозеров являются следующие. Максимальная высота подъема, которая принимается, исходя из получения углов съезда и въезда машины; она составляет не менее 25°.
Основной угол резания определяется между опорной поверхностью бульдозера и передней плоскостью ножей. Он может изменяться ручной (не менее 8°) или принудительной
(гидроцилиндрами до 20…32°) регулировкой.
30
Задний угол – угол между опорной поверхностью и поверхностью, соединяющей режущую кромку среднего ножа отвала с наиболее выступающим элементом конструкции в
нижней части тыльной стороны отвала.
Угол поперечного перекоса определяется наибольшим изменением длин правого и левого раскосов в противоположные стороны.
Основные размерные показатели бульдозеров-рыхлителей связаны с рыхлительным
оборудованием: максимальное заглубление рыхлителя, угол въезда, расстояние от нижней
точки нижней тяги до опорной поверхности, расстояние от наконечника зуба до оси ведущей
звездочки трактора, шаг зубьев, ширина наконечника зуба, угол рыхления, задний угол ры хления, максимальное заглубление. Расстояние до опорной поверхности и звездочки принимают при номинальном угле (для рыхлителей с регулируемым углом рыхления при 45°).
Параметры таковы: максимальное заглубление зуба рассчитывают от опорной поверхности гусениц при наибольшем вылете зуба (до режущей кромки наконечника); угол въезда
рыхлителя задают в транспортном положении при наименьшем вылете зуба; шаг зубьев –
расстояние между одинаковыми точками ближних зубьев; угол рыхления – угол между передней гранью наконечника и касательной к траектории в данной точке дви жения; задний
угол рыхления определяется между задней гранью наконечника и касательной к траектории
движения режущей кромки в данной точке. Для рыхлительного оборудования к основным
параметрам относят также число зубьев.
По типу ходового устройства в зависимости от исполнения бульдозеры бывают гусеничные (их общий вид показан на рис. 2.3 и 2.4) и пневмоколесные (рис. 2.5).
Гусеничные бульдозеры получили наиболее широкое применение благодаря высокой
проходимости в различных грунтовых условиях. Пневмоколесные бульдозеры реализуют
свои мобильные качества при частых перебазировках, выполняя малообъемные земляные
работы на строительных площадках с прочным основанием.
По конструкции рабочего оборудования различают бульдозеры с неповоротным отвалом (рис. 2.3), поворотным отвалом в плане (рис. 2.4), бульдозеры–погрузчики
(рис. 2.5), бульдозеры–рыхлители (рис. 2.6).
Бульдозерный неповоротный отвал 1 (рис. 2.3) установлен перпендикулярно продольной оси симметрии базового трактора неподвижно или с небольшим угловым качан ием в поперечной плоскости.
Для другой схемы поворотный отвал 1 (рис. 2.4) можно поворачивать на определенный угол в обе стороны от основного положения.
У бульдозеров–погрузчиков (рис. 2.5) на подъемной стреле 2 шарнирно установлен
отвал 4; при технологической необходимости вместо отвала 4 может быть закреплен погрузочный ковш 7 или другое дополнительное рабочее оборудование. Рыхлитель (рис. 2.6)
с одним или несколькими зубьями 3 навешивается с тыльной стороны базового трактора,
оборудованного спереди бульдозером 9.
Бульдозеры на колесных тракторах общего назначения и модификациях базовых
сельскохозяйственных тракторов тягового класса 1,4...4 получили наибольшее распространение на малоэнергоемких землеройных работах на грунтах I и II групп в район ах с
умеренным климатом при температуре от —40 до +40 °С. В агрегате с задним оборудованием они могут иметь многоцелевое назначение; при наличии сменного погрузочного
оборудования они предназначены для земляных и погрузочно-разгрузочных работ небольшого объема, перемещения штучных грузов и т. п.
31
Рис. 2.3. Гусеничный бульдозер ДЗ–42П с неповоротным отвалом:
1 – нож; 2 – отвал; 3 – козырек; 4 – кронштейн; 5 – гидроцилиндр подъема–опускания;
6 – базовый трактор; 7 – рычаг управления гидрораспределителем;
8 –поперечная балка с цапфами; 9 – толкающий брус
Рис. 2.4. Гусеничный бульдозер с поворотным отвалом:
1 – отвал; 2 – толкатель с откосом; 3 – рама; 4 – гидроцилиндр;
5 – базовый трактор; 6 – шарнир; 7, 8 – ножи
32
Рис. 2.5. Пневмоколесные бульдозеры с бульдозерным отвалом (а)
и с погрузочным ковшом (б): 1 – базовый пневмоколесный трактор; 2 – подъемная стрела;
3, 5 – гидроцилиндры поворота отвала и подъема–опускания рабочего оборудования, 4 – отвал;
6 – рама; 7 – ковш
Бульдозерное оборудование в агрегате с траншейным цепным экскаватором ЭТЦ–165А
применяется на тракторе «Беларусь» MT3–82» обладает поворотом на 45° и перекосом до 10°.
Все движения отвала гидрофицированы, управление поворотом и перекосом осуществляется из кабины машиниста.
Бульдозеры–погрузчики ДЗ–133 и ДЗ–160 на базе колесных тракторов являются машинами многоцелевого назначения. В качестве основных рабочих органов они имеют
бульдозерный отвал и сменный ковш.
Рис. 2.6. Бульдозер с рыхлителем ДЗ–126В–2: 1 – бульдозерное оборудование ДЗ–132–1; 2 – трактор ДЭТ–250М2; 3 – верхняя тяга; 4 –рабочая балка; 5 – зуб с наконечником и износостойкой
накладкой; 6 – гидроцилиндр подъема–опускания; 7 нижняя тяга
33
Бульдозерный отвал массой 200 кг сварной с одним средним и крайними сменными
ножами. Он оборудован уширителями или челюстным захватом. Съемное устройство имеет цапфы и нижние пальцы для установки соответственно в верхние и нижние отверстия
проушин отвала. Нижние пальцы могут поворачиваться в положение «снятия–монтажа»
или фиксации.
По тяговому классу, который означает номинальную силу тяги базового трактора,
различают бульдозеры малогабаритные (сила тяги до 0,9 т, мощность 18,5…37 кВт), легкие (сила тяги 1,4…4 т, мощность 37…96 кВт), тяжелые (сила тяги 6…15 т, мощность
103…154 кВт), сверхтяжелые (сила тяги 50…100 т, мощность 510…880 кВт).
Бульдозерам всех исполнений присваивается индекс, состоящий из букв ДЗ (дорожная машина землеройная) и двух–трех цифр, которые обозначают порядковый номер заводской модели. Буквы и цифры в индексе, стоящие после цифр номера модели, обозн ачают очередную модернизацию или северное (ХЛ) исполнение. Например, индекс ДЗ–
162.3 расшифровывается следующим образом: ДЗ – дорожная землеройная машина; 162 –
номер заводской модели; 3 – третья модернизация заводской модели на базовом тракторе
ДT–75.
В ряде моделей бульдозеров стала применяться отличительная маркировка, состоящая из буквы Б и цифр, которые обозначают марку базового трактора. Например,
Б170.01.Е – бульдозер на базе трактора Т–170.01 без рыхлителя; Б170.01.ЕР – бульдозер–
рыхлитель на базе трактора Т–170.01.
Тяговый класс базового трактора – главный параметр бульдозеров, бульдозеров–
рыхлителей и бульдозеров–погрузчиков. Он характеризует напорное усилие или силу тяги, развиваемую при минимальной скорости рабочего хода и минимальном буксовании
гусениц или колес. В табл. 2.3 даны технические характеристики бульдозеров [10].
По тяговому классу различается типоразмерный ряд гусеничных бульдозеров: 4; 6;
10; 25 т; при соответствующей мощности двигателей 55, 96, 129, 243...272 кВт.
Таблица 2.3
Технические характеристики бульдозеров [10]
Значения показателей для бульдозеров
1
Показатели
2
ДЗ–133
Тяговый класс
1,4
Базовый
трактор
Мощность
двигателя, кВт
Тип
рабочего оборудования
Размеры отвала,
мм: (длина
высота)
Высота
подъема
отвала, мм
3
ДЗ–42В
ДЗ–42Г ДЗ–
186 ДЗ–162
4
ДЗ–101А
Т–4АП2
4
6
5
ДЗ–171.1
ДЗ–171.1.05
ДЗ–171.4
Б170.01.Е
10
МТЗ–
380/82
ДТ–75НР
Т–4АП2
Т–170
Т–25.01
Т–330
59
Погрузочный
ковш,
отвал
70
Неповоротный
отвал
96
Неповоротный
отвал
129
Поворотный
отвал
272
Неповоротный отвал
300
Неповоротный
отвал
2100
650
2560
800
2800
990
4120
1140
4400
1740
3600
1200
650
600
650
935
1380
155
34
6
ДЗ–158 Т–
25.01 БР–1
7
ДЗ–59С
ДЗ–124ХЛ
25
35
Глубина опускания отвала,
мм
200
200
350
465
590
800
Окончание табл. 2.3
Значения показателей для бульдозеров
1
2
Показатели
ДЗ–133
ДЗ–42В
ДЗ–42Г ДЗ–
186 ДЗ–162
ДЗ–101А
Т–4АП2
Угол перекоса
отвала, град.
—
—
—
Скорость
передвижения,
км/ч: вперед –
назад
Габаритные
размеры, мм
длина
высота
ширина
Масса, т
Способ
Перекоса
отвала
3
4
5
6
7
ДЗ–158 Т–
25.01 БР–1
±6
ДЗ–171.1
ДЗ–171.1.05
ДЗ–171.4
Б170.01.Е
±12
ДЗ–59С
ДЗ–124ХЛ
± 10
± 12
—
Гидравлический
Гидравлический
Гидравлический
Гидравлический
2–12
2–10
3,17–11,18
3,94–8,3
2,22 – 9,32
3,39–6,1
4–2,51
4–12,05
4–12
5,2–14,2
0–13
0–11
5100
2130
2850
4650
2680
2710
4650
2680
2510
5690
4120
3087
8790
4310
3785
8700
3600
4280
4,46
6,91
9,82
16,45
40,51
44
Бульдозеры–погрузчики класса 1, 4 и грузоподъемностью 0,75 т. Бульдозер–
погрузчик ДЗ–133 грузоподъемностью 0,75 т и вместимостью ковша 0,38 м 3 установлен на
колесном тракторе «Беларусь» МТЗ 80/82 класса 1, 4.
Бульдозеры–рыхлители выпускают общего и специального назначения. Машины общего назначения служат для разработки и транспортировки мерзлых и разборно-скальных
грунтов. Бульдозеры–рыхлители специального назначения имеют рыхлительное оборудование
в однозубом исполнении для глубокого рыхления грунтов (более 1,5...2 м). В многозубом
исполнении рыхлители используют на горных работах.
По типу ходовой части бульдозеры и бульдозеры–рыхлители бывают гусеничные и
пневмоколесные.
Гусеничные получили большее распространение благодаря низкому давлению на грунт в
сочетании с реализацией значительных тяговых усилий и высоких сцепных свойств. Колесные машины отличаются высокими транспортными скоростями и мобильностью.
По способу установки рабочего органа различают бульдозеры с неповоротным и поворотным отвалами.
По типу отвала подразделяют на бульдозеры с прямым, полусферическим, сферическим и специальным (угольным, для сыпучих материалов) отвалом.
По приводу рабочего оборудования различают бульдозеры с гидравлическим и канатноблочным управлением. Все современные бульдозеры оснащают гидрофицированным управлением подъемо-опускания отвала, а на тяжелых бульдозерах и гидроперекосом отвала.
По виду навесного оборудования для бульдозеров различают рыхлители трехзвенные, четырехзвенные (параллелограммные) и многозвенные; с регулируемым и нерегулируемым углом рыхления; с изменяемым шагом зубьев.
35
По количеству зубьев различают однозубое и многозубое рыхлительное оборудование. Однозубые рыхлители предназначены для разработки особо прочных материалов и могут использоваться также для специальных работ. Многозубые рыхлители содержат в комплекте, как правило, три зуба.
По способу крепления разделяют рыхлительное оборудование с жестким или шарнирным
креплением зубьев. При жестком креплении поворот зуба исключается.
Шарнирное крепление обеспечивает поворот зуба, снижая воздействие боковых нагрузок
на рабочий орган и базовый тягач.
Бульдозеры–рыхлители выпускают на гусеничных тракторах. Их типоразмерный ряд
– 10, 25 и 35 т при мощности двигателей 129…342 кВт.
Рыхлительное оборудование состоит из опорной рамы, верхней и нижней тяги, рабочей балки с зубом, и гидроцилиндров подъема–опускания.
Опорная рама сварной конструкции является несущим элементом крепления рыхлительного оборудования на корпусе заднего моста трактора. Рабочая балка предназначена
для установки зуба и одновременно является звеном параллелограммного механизма
навесного оборудования.
В нижней задней части балки расположена площадка для работы с бульдозером–
толкачом. Верхняя и нижняя тяги служат для присоединения рабочей балки к опорной раме и представляют собой сварные конструкции коробчатого сечения.
Рабочий орган (зуб) рыхлителя состоит из стойки, наконечника, уширителей и деталей их крепления к стойке. Наконечник крепят на стойке пальцем с пружинной чекой.
Предусмотрено два отверстия в стойке зуба для установки ее с разным вылетом.
Уширители выполнены в виде сменных лопастей, закрепляемых в нижней части
стойки под углом не более 20° к горизонту.
Лопасть представляет собой L–образную опору, на выступающей части которой закреплен самоустанавливающийся поворотный диск, предохраняющий лопасти от износа и
облегчающий процесс рыхления. Гидросистема рыхлительного оборудования присоединяется к гидросистеме трактора.
Перевозку бульдозеров–рыхлителей производят железнодорожным транспортом на
четырехосной платформе грузоподъемностью 60 – 63 т.
Бульдозеры–рыхлители тягового класса 25 выпускают на базе гусеничных тракторов
ДЭТ–250М, ДЭТ–250М2, Т–25.01. Предназначены они для разработки мерзлых грунтов с
большим количеством каменистых включений и трещиноватых скальных грунтов.
Для навески рыхлительного оборудования обе модификации трактора имеют корпус
заднего моста с проушинами для крепления нижней тяги и два кронштейна для крепления
верхней тяги.
Технические характеристики бульдозеров–рыхлителей приведены в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Технические характеристики бульдозеров–рыхлителей [10]
Значения показателей для бульдозеров–рыхлителей
Показатели
ДЗ–71.3.05
Б170.01ЕР
ДЗ–126В1
ДЗ–158Р
ДП–34
ДЗ–129ХЛ
ДЗ–141ХЛ
ДЗ–141–УХЛ
Тяговый класс
Базовый
трактор
Мощность
двигателя, кВт
10
Т–170
25
ДЭТ250М2
25
Т–25.01
35
Т–330
35
Т–500Р
129
243
272
250
372
Базовый
ДЗ–171.4
ДЗ–132.1
ДЗ–158
ДЗ–124ХЛ
ДЗ–141
36
бульдозер
Б170.01Е
Окончание табл. 2.4
Показатели
Глубина
Заглубления
зуба, мм
Габаритные
размеры, мм:
длина
ширина
высота
Значения показателей для бульдозеров-рыхлителей
ДЗ–71.3.05
ДЗ–126В1
ДЗ–158Р
ДЗ–129ХЛ
Б170.01ЕР
ДП–34
ДЗ–141ХЛ
ДЗ–141–УХЛ
450
1200
1250
1400
1370
6570
4120
3176
9215
4310
3215
8790
4270
3785
8700
4730
4280
9500
4800
4200
Бульдозеры–рыхлители ДЗ–126А, ДЗ–126В–1, ДЗ–126В–2 (см. рис. 2.6) состоят из
базового трактора ДЭТ–250М или ДЭТ–250М2, бульдозерного оборудования от ДЗ–118,
ДЗ–132–2, ДЗ–132–1 соответственно и унифицированного для всех моделей заднего рыхлительного оборудования ДП–9ВХЛ.
Скреперы. Самоходный скрепер – самоходная колесная землеройно-транспортная
машина, имеющая открытый ковш с режущей кромкой, расположенный между передними
и задними колесами, которая послойно режет, набирает, транспортирует и рассыпает (отсыпает) материал при движении вперед. Применяют тракторы при разработке различных
грунтов от песчаного до глиняного, причем тяжелые и плотные из них предварительно
разрыхляют.
Указанные технологические машины используют на строительстве практически всех
земляных сооружений. Скреперы применяют в различных областях строительства и в горнодобывающей промышленности. Скреперное оборудование предназначено для набора,
перевозки и выгрузки грунта.
В гидромелиоративном строительстве скреперы разрабатывают грунт в выемках (каналах, котлованах, карьерах, резервах); устраивают насыпные земляные сооружения (плотины, участки каналов в полунасыпях или насыпях, дамбы); проводят вскрышные работы
и подготовку оснований сооружений (снятие растительного слоя грунта, удаление непригодных грунтов с площади оснований плотин); выполняют планировочные работы.
Скреперы предназначены для послойной разработки грунтов I–IV групп (III и IV
групп, предварительно разрыхленных), не содержащих сосредоточенных каменистых
включений, перемещения их из забоя в отвал на различную дальность и отсыпки слоем
заданной толщины с одновременным частичным его уплотнением.
По типу агрегатирования (соединения) скреперного оборудования и базовой машины
скреперы подразделяют на прицепные и самоходные. Таким образом, общим для всех типов скреперов является то, что они состоят из двух основных частей – скреперного оборудования и базовой машины. Скреперы подразделяют по типу соединения скреперного
оборудования и базовой машины на прицепные и самоходные.
К прицепным скреперам (рис. 2.7) относятся машины, буксируемые гусеничными
или колесными тракторами. У этих машин вся нагрузка, включая массу грунта в ковше 7,
передается только на колеса скрепера. Прицепные скреперы с гусеничными тракторами
обладают хорошей проходимостью и могут работать во время распутицы. Благодаря в ысокой силе тяги эти машины могут самостоятельно заполнять ковш практически н а любых
37
видах грунтов. Однако низкие транспортные скорости тракторов (2,5...3 м/с) ограничив ают область применения скреперов по дальности транспортирования грунта до 400...500 м.
Самоходные скреперы различают также по колесной формуле. Скреперы выпускают
с передними (4x2) и всеми (4x4) ведущими колесами (первые цифры (4) – означают общее
количество колес, а вторые (2 или 4) количество ведущих колес технической системы.
Самоходные скреперы выпускают двухосными и трехосными (рис. 2.8 и 2.9). Двухосный скрепер представляет собой единую машину с собственной силовой установкой для
передвижения и управления скреперным оборудованием. Базовая машина таких скреперов
— одноосный тягач, является передней осью машины.
У трехосных скреперов (рис. 2.9) часть нагрузки от их массы через седельно-сцепное
устройство 2 передается на базовый колесный трактор 1.
Рис. 2.7. Прицепной скрепер:
1 — базовый трактор; 2 —сцепное устройство; 3 — ось;
4 — рама; 5 — задняя стенка; 6 — заднее колесо; 7 — ковш; 8, 9 — ножи; 10 — заслонка
Рис. 2.8. Скрепер ДЗ–13Б:
1 — одноосный тягач БелАЗ–7442; 2 — электрооборудование;
3 — седельно-сцепное устройство; 4 — рычажный механизм заслонки; 5 — заслонка;
6 — тяговая рама; 7 — ковш; 8 — задняя стенка; 9 — пневмосистема тормозов; 10—колесо
38
Рис. 2.9. Самоходный трехосный скрепер:
I — базовый колесный трактор; 2 — седельно-сцепное устройство; 3 — рама;
4 — ковш с заслонкой и задней стенкой
Самоходные скреперы отличаются меньшей проходимостью, чем прицепные, и требуют для работы более благоприятных дорожных условий. Сила тяги базовых одноосных
тягачей и колесных тракторов недостаточна для самостоятельного заполнения ковша, п оэтому грунт набирают с помощью трактора–толкача. Высокие транспортные скорости самоходных скреперов позволяют перевозить грунт на значительное расстояние. Так как
транспортный режим составляет 80...90 % времени рабочего цикла, то производительность
самоходных скреперов увеличивается в 2...2,5 раза.
Скреперы по способу загрузки ковша делятся на два типа: заполняемые за счет подпора фунта за счет тягового усилия; заполняемые с помощью загрузочного устройства
элеватора или шнека, расположенных в ковше.
Скреперы с тяговой загрузкой бывают как прицепные, так и самоходные. Элеваторной загрузкой оборудуют только самоходные скреперы.
У скреперов первого типа срезание стружки грунта ножом и заполнение ковша через
зев, образованный поднятой заслонкой, обеспечивается за счет силы тяги ведущих колес
скрепера и гусениц толкача.
У элеваторных скреперов за счет силы тяги ведущих колес производится только срезание стружки грунта и передвижение машины. Заполнение ковша грунтом является
наиболее трудоемким процессом и производится скребковым элеватором, размещенным в
передней части ковша.
Благодаря этому обеспечивается загрузка ковша скрепера без толкача.
Преимущества элеваторных скреперов: обеспечение заполнения ковша с «шапкой»;
более высокие планирующие свойства за счет способности ровнять с постоянной и более
тонкой стружкой грунта; возможность автономного использования. Недостатки таковы:
ограничение использования на влажных глинистых грунтах; снижение надежности машины; повышение стоимости примерно на 25% и эксплуатационных расходов на 13,5 %.
За рубежом выпускают скреперы со шнековым элеватором. В ковше такого скрепера
размещены один или два вертикальных шнека, приводимых от гидромотора.
Шнеки лопастями подхватывают грунт, поступающий с ножа, и транспортируют его
вверх, заполняя ковш.
К основным параметрам скреперов относятся: геометрическая вместимость ковша,
максимально допускаемая масса груза в ковше (грузоподъемность), ширина резания, максимальное заглубление, толщина слоя отсыпки, тяговый класс базового трактора, мощность двигателя.
В соответствии с принятым типажом типоразмерный ряд скреперов, определяемый
геометрической вместимостью ковша, составляет 4,5; 8; 10 и 15 м 3 , а для самоходных —
39
дополнительно вместимость ковша 25 м3 . Технические характеристики скреперов представлены в табл. 2.5.
Управление рабочими органами большинства скреперов гидравлическое, разгрузка
ковша принудительная. Подъем-опускание заслонки осуществляется тоже гидравлическими цилиндрами, например скреперы МоАЗ–6007 и МоАЗ–6014.
Пример. Скрепер ДЗ–13Б (см. рис.2.8) является модернизацией скрепера ДЗ–13А.
Он предназначен для послойной разработки грунтов, не содержащих каменистых включений размером более 350 мм. Набор грунта производится с помощью трактора–толкача тягового класса 25...35, оборудованного отвалом бульдозера или толкающим устройством.
Таблица 2.5
Техническая характеристика скреперов [3]
Значения показателей для скреперов
Показатели
ДЗ–
1ПА
Вместимость
ковша, м 3
Грузоподъемность, т
Тяговый
класс
Мощность
двигателя, кВт
4,5
Скорость
передвижения, км/ч
Ширина
резания, мм
Величина
заглубления, мм
Толщина слоя
отсыпки, мм
Габаритные
размеры, мм
длина
высота
ширина
Масса, т
Прицепных
ДЗ–172.1
ДЗ–172.5
ДЗ–172.1–02 ДЗ–172.5–02
ДЗ–172.1–03 ДЗ–172.5–03
ДЗ–172.1–04 ДЗ–172.5–04
8,8–11
8,8–11
Самоходных
СП–172 МОАЗ–601*4
ДЗ–13Б
ДЗ–87–1
8,8
8,3
16
8,5
4
16,5
10
16,5
10
16,5
10
16
—
30
—
96
125
125
125
165
265
9,32
10,1
10,1
10,1
44
50
2430
2754
2754
2754
2820
3430
125
170
170
170
150
200
400
400
400
400
450
510
11420
2920
2520
12,88
14330
3150
3300
24,25
14330
3150
3300
24,3
9915
3150
2750
24,2
11215
3245
3500
20
12900
3650
3600
37,5
Скрепер может эксплуатироваться в районе с умеренным климатом (+40...— 40 °С).
Скрепер ДЗ–13Б представляет собой двухосную машину на базе одноосного тягача
БелАЗ–7442. Трансмиссия тягача – гидромеханическая. Пневмогидравлическая подвеска
тягача позволяет ему развивать высокие скорости в транспортном режиме.
Управление рабочими органами скрепера тоже гидравлическое. В отличие от скреп ера ДЗ–13А, имеющего электрогидравлическое управление, в гидросистеме предусмотрено
гидравлическое управление гидрораспределителем с помощью блоков управления.
Заслонка этого скрепера управляется с помощью рычажного механизма, аналогичн ого ДЗ–172.
40
Экскаваторы. Одноковшовые строительные экскаваторы
Одноковшовые экскаваторы составляют группу универсальных землеройных машин
цикличного действия с ковшом вместимостью 0,1…6 м 3 и предназначены для выполнения
всевозможных общестроительных земляных сооружений, включая разработки грунта и
перемещения его в отвал или для погрузки на транспорт. По назначению одноковшовые
экскаваторы классифицируются на универсальные и специальные (карьерные, вскрышные,
туннельные, шахтные).
Универсальные одноковшовые экскаваторы классифицируют по типу привода, возможности вращения поворотной части, конструкции ходового устройства, числу установленных двигателей, типу подвески и видам рабочего оборудования.
По типу привода различают одноковшовые экскаваторы механическим, гидромеханическим, гидравлическим, электрическим и смешанным приводами. На экскаваторах с
механическим приводом применяют только механические передачи. Если в механическую
трансмиссию экскаватора включают также гидродинамическую передачу (например, ги дротрансформатор), то такой привод называют гидродинамическим.
Гидравлические экскаваторы обладают преимуществами по сравнению с экскаваторами с механическим приводом. Так, гидравлический привод расширяет технологические
возможности экскаваторов с различными видами рабочего оборудования. Например, при
использовании обратной лопаты увеличивается заполнение ковша за счет больших усилий
копания (так как сопротивление грунта копанию воспринимается через стрелоподъемные
цилиндры массой всего экскаватора), что повышает производительность машины. Появляется возможность копания только поворотом ковша при неподвижной (относительно стрелы) рукояти, что позволяет выполнять работы, например, в ограниченном пространстве
городских условий.
При электрическом приводе передача энергии от силовой установки к механизмам машины производится как электрическим, так и механическим способом. В смешанных приводах используют два или три типа различных передач. На большинстве экскаваторов получили распространение смешанные электромеханические или гидромеханические приводы.
По возможности вращения платформы (поворотной части ) одноковшовые экскаваторы бывают полноповоротными с вращающейся вокруг вертикальной оси платформой на
неограниченный угол с прямой лопатой (рис. 2.10) и обратной (рис. 2.11) и неповоротными, когда угол вращения ограничен (рис. 2.12).
Рис. 2.10. Экскаватор с гибкой подвеской и с оборудованием прямая лопата:
1,5 – ведущие и направляющие колеса ходового устройства (тележки); 2 – опорный каток;
3 – гусеничная рама; 4 – гусеничная лента; 6 –машинное отделение; 7 – седловой подшипник;
8 – стрела; 9 – ковш; 10 – рукоять; 11 – кабина машиниста
41
По типу ходового устройства одноковшовые экскаваторы разделяют на гусеничные,
пневмоколесные, на базе самоходной машины. Гусеничные ходовые устройства применяют с
минимально допускаемой площадью опорной поверхности гусениц (для работы на грунтах с
высокой несущей способностью) и с увеличенной поверхностью гусениц (для работы на
грунтах с низкой несущей способностью)
Пневмоколесным называют экскаватор на колесном ходовом устройстве, который имеет поворотную часть, как и гусеничный экскаватор. Экскаватор на базе самоходной машины
имеет ходовое устройство на базе трактора или автомобиля.
По типу подвески рабочего оборудования различают экскаваторы с гибкими элементами в форме канатов (см. рис. 2.10) и с жесткой подвеской из гидравлических цилиндров (рис.
2.11).
По видам рабочего оборудования экскаваторы работают с прямой лопатой (рис. 2.11, а),
обратной лопатой (рис. 2.11, б), драглайном, грейфером.
а)
б)
Рис. 2.11. Гидравлические гусеничные экскаваторы 3-й размерной группы ЭО–3122 (а)
с оборудованием обратная лопата и . 6-й размерных групп ЭО–6123 с оборудованием прямая лопата (б). Для (а) имеем: 1 – ходовая тележка; 2 – поворотная платформа; 3 – капот; 4 – силовая
установка; 5 – кабина; б – стрела; 7,9, 11 – гидроцилиндры рукояти, ковша и стрелы;
8 – рукоять; 10 – ковш. Для (б):1 – ходовая тележка; 2 – противовес; 3 – капот, 4 – кабина;
5, 8, 9 – гидроцилиндры стрелы, ковша и рукояти; 6 – стрела; 7 – рукоять; 10 – ковш;
11 – поворотная платформа
42
По числу установленных двигателей одноковшовые экскаваторы бывают одно- и многомоторными. Одномоторными называют экскаваторы, у которых все рабочие механизмы
через валы приводятся в действие одним двигателем. Многомоторными называют экскаваторы, у которых все рабочие механизм приводятся несколькими независимо работающими двигателями.
Прямая лопата разрабатывает грунт выше уровня стоянки: ковш, укрепленный на рукояти, копает в направлении от экскаватора. Ковшом прямой лопаты разрабатывают мелкие забои, расположенные выше уровня стоянки машины, производят зачистные работы в
котлованах, погрузку сыпучих и мелкокусковых материалов. Решетчатым ковшом грузят
крупнокусковые материалы.
Обратная лопата предназначена для разработки грунта ниже уровня стоянки: ковш,
укрепленный на рукояти, копает по направлению к экскаватору. Ковшом обратной лопаты
отрывают небольшие котлованы, ямы с отвесными стенками, траншеи для подземных
коммуникаций, неглубокие каналы.
Профильным ковшом очищают мелиоративные каналы.
При больших глубинах копания грунт ниже уровня стоянки разрабатывают драглайном в виде ковша, подвешенного на канатах и копающего в вертикальной плоскости экскаватора. Каналы очищают боковым драглайном с ковшом, подвешенным на канатах и копающим под углом к вертикальной плоскости стрелы.
Рис. 2.12. Неполноповоротный экскаватор на пневмоколесном тракторе:
1 – топливный бак; 2 – гидробак; 3 – кабина; 4, 5, 8 – гидроцилиндры; 6 –стрела; 7 – рукоять;
9 – ковш; 10 – выносная опора; 11 – поворотная колонка; 12 – отвал бульдозера
Грейфер снабжен захватывающим ковшом, что позволяет проводить погрузочные и
разгрузочные операции с сыпучими грунтами и дроблеными породами, копание колодцев
с вертикальными стенками или очистку траншеи и каналы. Ковш грейфера может быть
подвешен на канате, поэтому усилие напора ковша на грунт создается весом ковша.
У гидравлического экскаватора ковш грейфера шарнирно подвешен к одному из
жестких элементов рабочего оборудования и усилие напора на грунт создается специальным приводным устройством.
Одноковшовые экскаваторы могут работать с другими видами рабочего оборудов ания, например кран, копер, гидромолот, планировочный нож.
К основным параметрам одноковшовых экскаваторов относятся вместимость ковша,
эксплуатационная масса, среднее удельное давление на грунт, радиус и высота копания,
высота выгрузки, глубина копания.
43
Вместимость ковша измеряется объемом между внутренними поверхностями стенок,
днища и открытой поверхностью ковша.
Эксплуатационной массой одноковшового экскаватора принято считать массу машины
с рабочим оборудованием, провесом и полной заправкой топливом, смазочными материалами, рабочей и охлаждающей жидкостью.
Среднее давление на грунт определяется отношением эксплуатационной массы гусеничного экскаватора к площади опорной поверхности его ходового устройства.
Радиус копания R измеряется расстоянием от оси вращения поворотной части до
наиболее удаленной точки режущего контура ковша прямой лопаты.
Высота копания Н – это расстояние от уровня стоянки экскаватора до режущего контура ковша при копании выше уровня стоянки.
Радиус выгрузки RB – расстояние от оси вращения поворотной части до вертикальной
линии, проведенной через нижнюю точку ковша или его открытого днища при разгрузке,
рис. 2.13.
Рис. 2.13. Рабочие размеры экскаваторов с оборудованием обратная и прямая лопата [10]
Высота выгрузки Нв – расстояние от уровня стоянки экскаватора до уровня нижней
точки ковша или его открытого днища при разгрузке.
Глубина копания Нк обратной лопаты – это расстояние от уровня стоянки экскаватора до режущего контура ковша при проведении копания ниже уровня стоянки.
В индексе одноковшового экскаватора четыре цифры соответственно обозначают:
размерную группу машины, тип ходового устройства, конструктивное исполнение рабочего оборудования и порядковый номер модели данного типа и исполнения.
Дополнительные буквенные обозначения –это номер порядковой модернизации данной машины и ее климатического исполнения. Так, индекс ЭО–3322АТ обозначает: экскаватор одноковшовый универсальный 3–й размерной группы, на пневмоколесном ходовом
устройстве, с жесткой подвеской рабочего оборудования, вторая модель, прошедшая
первую модернизацию, тропическое исполнение.
44
Индекс ЭО–5113БХЛ означает: экскаватор одноковшовый универсальный 5–й размерной группы, на гусеничном ходовом устройстве, с гибкой подвеской рабочего оборудования, третья модель, прошедшая вторую модернизацию, северное исполнение.
Многоковшовые экскаваторы. Цепные и роторные экскаваторы.
Цепные и роторные экскаваторы, непрерывно разрабатывающие и одновременно
транспортирующие грунт в отвал, предназначены для рытья траншей при прокладке протяженных коммуникаций (кабелей, трубопроводов). Распространение получили в основном гусеничные роторные экскаваторы, обладающие лучшей проходимостью в тяжелых
грунтовых условиях.
Общую классификацию многоковшовых экскаваторов производят по способу перемещения рабочего органа, типу привода, исполнению ходового устройства.
Так, по способу перемещения рабочего органа роторные экскаваторы относят к экскаваторам непрерывного продольного копания, когда плоскости перемещения рабочего
органа и движения ковшей ротора совпадают.
По типу привода многоковшовые экскаваторы разделяют на экскаваторы непрерывного действия с механическим, гидравлическим и комбинированным приводами. Признак
типа ходового устройства разделяет роторные экскаваторы на гусеничные и пневмоколесные. Наибольшее распространение получили гусеничные роторные экскаваторы, обладающие лучшей проходимостью в тяжелых грунтовых условиях.
Для роторных экскаваторов также принята буквенно-цифровая индексация. Экскаватор траншейный роторный – это аббревиатура букв ЭТР. В цифровом обозначении первые
две цифры указывают на глубину копания, третья цифра определяет порядковый номер
модели.
При модернизации после цифрового обозначения добавляют буквы в алфавитном
порядке. Например, индекс ЭТР–206А обозначает: экскаватор траншейный роторный, 20 –
глубина копания 20 дециметров, 6 – шестая модель, А – первая модернизация.
Цепной траншейный экскаватор имеет обозначение ЭТЦ. Укажем особенности характеристик цепного траншейного экскаватора ЭТЦ–252А
(рис. 2.14), который отрывает траншеи прямоугольного и трапецеидального сечения в
грунтах с каменистыми включениями размером до 200 мм.
Рис. 2.14. Экскаватор ЭТЦ–252А:
1 – силовая установка; 2 – кабина; 3 – гидросистема;
4 –трансмиссия; 5 – механизм подъема и опускания рабочего органа; 6 – конвейер; 7 – лоток;
8 –рабочий орган; 9 – скребок
45
Экскаватор смонтирован на базе трелевочного трактора ТТ–4, в котором демонтированы лебедка с раздаточной коробкой, погрузочное устройство, гидроцилиндр, гидробак,
гидрораспределитель; рама трактора усилена и приспособлена для установки узлов рабочего оборудования.
В трансмиссии экскаватора предусмотрена распределительная коробка для передачи
мощности двигателя на рабочий орган, насос, гидромоторы и ходовой механизм трактора.
Рабочий орган отрывает траншеи глубиной до 2,5 м. Возможна установка дополн ительной рамы-вставки со скребками и цепями, обеспечивающей рытье траншей глубиной
до 3,5 м.
На машине применяют скребки шести типов, которые различаются расположением
зубьев. Для отрывки трапецеидального профиля траншеи в грунтах 1–III групп шириной
по верху 2,8 и по низу до 1,0 м установлены цепные откосообразователи.
Роторные траншейные экскаваторы могут разрабатывать грунты с промерзанием на
глубину до одного метра. На рис. 2.15 показаны основные узлы роторного экскаватора
ЭТР–253А, который отрывает траншеи в грунтах III и IV групп прямоугольного профиля и
одновременно может буксировать кабелеукладчик посредством базового тягача 1.
Рабочее оборудование – ротор и конвейеры, приводятся в действие от индивидуальных
электродвигателей.
Рис. 2.15. Экскаватор ЭТР–253А:
1 – трактор ДЭТ–250М; 2 – электрооборудование; 3 – привод генератора; 4 – гидроцилиндр подъема
рабочего органа; 5 – электродвигатель привода конвейера; 6 – конвейер; 7 – гидроцилиндр подъема
конвейера; 8 – поддерживающие ролики; 9 – задняя опора рабочего органа с шинами;
10– направляющие ролики; 11 – установка привода ротора;
12 – муфта предельного момента;
13 – редуктор привода ротора
Грейдеры. Грейдеры – многофункциональная машина и выполняют земляные работы в фунтах I–IV групп. Они предназначены для возведения насыпей, профилирования и
планировки поверхности земляного полотна дорог; разравнивания и перемещения грунта,
гравия или щебня по полотну при постройке или ремонте дорог; смешивания грунтов с
добавками и вяжущими компонентами; устройстве кюветов, боковых канав и выемок;
планировки площадей; очистки дорог от завалов и снега и др.
На рис. 2.16 представлен автогрейдер ДЗ–122Л.
46
Рис. 2.16. Автогрейдер ДЗ–122Л:
1 – силовая установка: 2 – топливный бак; 3 –кабина; 4 – рама; 5 – гидросистема;
6 –отвал бульдозера; 7 – кирковщик; 8 – передняя ось; 9 – тяговая рама; 10 – отвал;
11 – задний мост
Грейдеры делят на грейдеры, работающие в агрегате с базовыми тракторами, и автогрейдеры, представляющие собой самоходную машину. Грейдеры первого типа классифицируют по тяговому классу базового трактора, типу агрегатирования и ти пу привода рабочего оборудования.
По аналогии со скреперами к прицепным относят машины, буксируемые гусеничн ыми или колесными тракторами. У этих грейдеров вся масса и нагрузки воспринимаются
собственными колесами.
Полуприцепные грейдеры часть нагрузок передают на трактор. У них улучшена проходимость и маневренность. Они имеют меньшую массу и потребность в шинах.
По тяговому классу трактора грейдеры делят на легкие (тяговый класс 3 и 4) и тяжелые (тяговый класс 10).
Грейдеры также могут агрегатироваться с тракторами разных тяговых классов. При
этом по способу агрегатирования грейдерного оборудования с базовым трактором грейдеры делят на прицепные и полуприцепные.
В табл. 2.6 приведены модификации типоразмерных рядов серийных моделей автогрейдеров в соответствии с принятым в РФ типажом.
По типу привода оборудования грейдеры делят на механические и гидравлические.
Автогрейдеры классифицируют по следующим основным признакам: классу мощности,
колесной схеме, типу задней тележки, типу трансмиссии. При этом класс мощности является основным признаком, по которому все серийные автогрейдеры делят на четыре группы – 100, 140, 180 и 250.
Колесная схема оказывает существенное влияние на тяговое усилие и его планирующие способности. Колесная схема автогрейдера определяется формулой А х Б х В, где А
– число осей с управляемыми колесами, Б – число осей с ведущими колесами, В – общее
число осей.
Грунтоуплотняющие машины. Самоходные катки
Уплотняющей системой является самоходный каток. Это дорожная машина с двигателем – приводом, силовой передачей и движительным рабочим органом. Катки являются
многопроходными машинами.
47
Самоходные катки предназначены для уплотнения оснований и покрытий из грунтовых, асфальтобетонных, щебеночных, песчано-гравийных материалов при строительстве и
ремонте дорог и сооружений многократным проходом по одному следу.
Самоходные катки классифицируют по массе, способу воздействия на уплотняемую
поверхность, типу рабочего уплотняющего органа, числу осей и количеству вальцов.
Таблица 2.6
Модификации рядов серийных моделей автогрейдеров [3]
Индекс
ДЗ–122А (базовый)
ДЗ–122А–1
ДЗ–122А–2
ДЗ–122А–3
ДЗ–122А–4
ДЗ–122А–5
ДЗ–122А–6 (базовый)
ДЗ–122А–7
ДЗ–122А–8
ДЗ–122А–9
ДЗ–122А–10
ДЗ–122А–11
ДЗ–122А–14
ДЗ–143 (базовый)
ДЗ–143–1
ДЗ–143–2
ДЗ–143–3
ДЗ–143–4
ДЗ–143–5
ДЗ–143–6
ДЗ–143–7
ДЗ–98А (базовый
ДЗ–98А–0–2
ДЗ–140
Особенности конструкции
Класс 160
Жесткая рама, гидромеханическая трансмиссия
Жесткая рама, механическая трансмиссия
Жесткая рама, гидромеханическая трансмиссия. Профиль – 10
то же, Профиль – 20
Жесткая рама, механическая трансмиссия. Профиль–10
то же, Профиль – 20
Шарнирно–сочлененная рама, гидромеханическая трансмиссия
то же, Профиль – 10
то же, Профиль – 20
Шарнирно–сочлененная рама, механическая трансмиссия
то же, Профиль – 10
то же, Профиль – 20
Шарнирно–сочлененная рама, гидромеханическая трансмиссия. Профиль – 30
Двигатель А – 01М, гидромеханическая трансмиссия
Двигатель А – 01М, механическая трансмиссия
то же, Профиль – 30
Двигатель А – 01М, гидромеханическая трансмиссия. Профиль – 30
Двигатель А – 01МС, гидромеханическая трансмиссия
Двигатель А – 01МС, механическая трансмиссия
то же, Профиль – 30
Двигатель А–01МС, гидромеханическая трансмиссия. Профиль–30
Класс 250
Двигатель У1Д6 – 250ТК, механическая трансмиссия, три ведущих моста
то же, Профиль – 20
Двигатель ЯМЗ – 240,гидромеханическая трансмиссия, балансирный задний мост
По массе и конструктивному исполнению самоходные катки с гладкими вальцами
изготавливают следующих типов и исполнений:
тип 1 – легкие вибрационные массой 0,6; 1,5 и 4,0 т, как одноосные одновальцовые
(1/1), так и двухосные двухвальцовые (2/2);
тип 2 – средние вибрационные и статические массой до 8,0 т двухосные двухвальцовые (2/2) и двухосные трехвальцовые (2/3);
тип 3 – тяжелые статические массой 10 и 15,0 т двухосные двухвальцовые (2/2);
двухосные трехвальцовые (2/3) и трехосные трехвальцовые (3/3).
Полуприцепные катки разделяют на следующие типы: легкие г), средние (30 т) и тяжелые (45 т). Пневмоколесные самоходные катки делят на средние (16 т) и тяжелые (30 т).
По способу воздействия на уплотняемую поверхность катки разделяют на уплотняющие машины статического, динамического (вибрационного) и комбинированного действия. Катки статического действия (рис. 2.17) уплотняют грунт собственной массой.
Вибрационные катки (рис. 2.18) производят уплотнение поверхности, по которой они
перемещаются, действием вынуждающей силы при колебании вибратора (за счет колебаний вибровальца).
48
Комбинированные катки уплотняют покрытия и верхние слои дорожных оснований
вибрационным гладким и статическим пневмошинным вальцами.
Рис. 2.17. Самоходный каток статического действия:
1,11– вальцы; 2,9 – скребки; 3,8 – баки для воды; 4 – фара; 5 – топливный бак; 6 – кабина;
7 – гидробак; 10 –гидрооборудование; 12 – силовая установка; 13 – рама
Общим для статического, вибрационного и комбинированного способов уплотнения
земляных сооружений является многократные проходы катков по одному следу для достижения конечного результата уплотнения.
На рис. 2.18 дан пример составных частей самоходного вибрационного катка ДУ–58
комбинированного действия, который предназначен для уплотнения насыпных и предв арительно спланированных слоев грунта, нижних слоев асфальтобетонных покрытий и материалов дорожных оснований.
Рис. 2.18. Самоходный вибрационный каток ДУ–58 комбинированного действия:
1 – силовой модуль; 2 – вибровалец; 3 – гидромотор привода вибровозбудителя;
4 – бак смачивающей системы; 5 – полурама вибровальца; 6 – шарнирное сочленение полурам;
7 – гидроцилиндр поворота катка; 8 – пневмоколесо
49
Каток ДУ–58 (см. рис. 2.18) состоит из силового модуля 1 и шарнирно–сочлененного
(поз. 6) с ним вибровальца 2 с полурамой 5. Силовой модуль включает двигатель внутреннего сгорания с оборудованием, раздаточный редуктор с насосной станцией, кабину машиниста с органами управления катком и ходовую пневмоколесную часть.
По числу осей самоходные катки разделяют на одноосные, двухосные и трехосные.
По типу уплотняющего органа (ходового устройства) самоходные катки бывают с гладкими вальцами, пневмошинами, с комбинированным ходовым устройством. Основным признаком исполнения вальцов является наличие гладкой рабочей поверхности и соприкосн овение с уплотняемым слоем основания, катки различают по удельному давлению, числу
колес и их взаимному расположению, способу привода вальцов.
Шарнирное сочленение обеспечивает возможность поворота полурам силового модуля и вибровальца в горизонтальной плоскости и относительно продольной оси. Поворот
катка в горизонтальной плоскости выполняется за счет шарнирного сочленения при п омощи гидроцилиндров.
Высокий уплотняющий эффект катка достигается совместным воздействием металлического вибровальца и ряда пригруженных пневмоколес. На катке имеется смачивающая система для смачивания вальцов с целью устранения возможности налипания на в алец уплотняемого материала. Пневмоколеса катка оснащены системой измерения давления в шинах, позволяющей изменять удельные нагрузки на уплотняемый материал.
Строительная машина – каток ДУ–58, имеет гидрообъемную трансмиссию, которая
включает насосную станцию и исполнительные гидромоторы привода вибровозбудителя и
привода хода катка.
Насосная станция состоит из двух гидронасосов переменной производительности,
один из которых питает гидромотор вибровозбудителя пальца, а второй питает гидромоторы балансирных редукторов колесного хода катка и привода вибровальца. В насосную
станции входят также гидронасос подпитки гидросистемы и насос привода гидроруля.
К числу грунтоуплотняющих машин относятся также трамбующие машины с падающими
плитами. Один из примеров комплектации такой технической системы дан на рис. 2.19.
Рис. 2.19. Трамбующая машина ДУ–12А с падающими плитами:
1– гусеничный трактор;2 – передняя подвеска; 3 – редуктор привода плит;
4 – кривошипно-полиспастный механизм привода плит; 5 – задняя подвеска;
6 – направляющие штанги; 7 – ходоуменьшитель; 8 – удлинители; 9 –трамбующие плиты
50
Оборудование для трамбования включает переднюю и заднюю подвески. Передняя
имеет редуктор и блоки полиспастного механизма привода трамбующих плит. Задняя подвеска снабжена направляющими штангами и подвешенными через блоки на канатах трамбующими падающими плитами.
Основными параметрами уплотняющих машин являются масса свободно падающей
плиты, площадь плиты, глубина уплотнения, возмущающая сила, ширина захвата, прои зводительность. Основные параметры планировочно-уплотняющих машин: максимальное
заглубление профилирующего отвала, ширина профиля обрабатываемой полосы.
Машины для бетонных работ. Это большая группа машин и оборудования. В качестве примера рассмотрим некоторые из них, в том числе автомобили для доставки бетонных смесей и передвижные бетононасосные установки на автомобильном ходу.
Автобетононасос – строительная машина, которая предназначена для подачи свежеприготовленной бетонной смеси в горизонтальном и вертикальном направлениях к месту укладки с помощью стрелы или бетоновода. Система работает в районах с умеренным
климатом при температуре окружающей среды от –5 до +40 °С.
Автобетононасос СБ–126А (рис. 2.20) монтируется на автомобиле 1 КамАЗ–53213 и
состоит из распределительной стрелы 5, рамы 9, приемной воронки 7, распределительного
устройства, опорных стоек, поворотного устройства, цилиндропоршневой группы, привода гидронасоса, компрессора, гидробаков 4, выносных опор 3, блока управления, состоящего из пульта контроля и управления, пульта управления распределительной стрелой,
дистанционного управления; гидросистемы и электрооборудования.
Бетонная смесь из автобетоносмесителя подается извне в приемную воронку автобетононасоса. Оттуда она направляется к двум бетонотранспортным цилиндрам. Правый бетонотранспортный цилиндр сообщается с приемной воронкой, и смесь засасывается в ц илиндр, а левый бетонотранспортный цилиндр сообщается через распределительное
устройство с напорным бетоноводом.
Затем находящаяся в цилиндре бетонная смесь нагнетается поршнем в бетоновод.
Нагнетаемая через распределительное устройство смесь подается на объект посредством
распределительной стрелы либо по бетоноводу.
Рис. 2.20. Автобетононасос СБ–126Б:
1 – автомобиль КамАЗ–53213; 2 – коробка отбора мощностей; 3 – выносная опора;
4 – гидробак; 5 – распределительная стрела; 6 – бак для воды; 7 – приемная коробка;
8 – гидроцилиндр выносных опор; 9 – рама
51
Бетоноукладчик. В строительстве используют самоходные бетоноукладчики. Это машины на гусеничном ходу. Например, бетоноукладчик УБК–132 смонтирован на базе трактора ДТ – 75 с удлиненной рамой и с двумя дополнительными балансирными тележками,
рис. 2.21.
Рис. 2.21. Бетоноукладчик УБК–132
Позиции: а – рабочее положение; б – транспортное положение; 1 – гусеничное ходовое оборудование; 2 – направляющая подъемного ковша; 3 –ковш;
4 – вибробункер; 5 – конвейер; 6 – поворотная платформа
Для приёма бетонной смеси есть скиповой подъемник. Выгрузку смеси из него на
ленту конвейера осуществляют при помощи промежуточного вибробункера. Ленточный
конвейер состоит из двух складывающихся в транспортном положении частей. Устойчивость машинам в рабочем положении обеспечивают выносные опоры.
Грузоподъемные машины для монтажных работ.
В качестве грузоподъемных машин для монтажных работ применяются различные краны, подъемники и лебедки. Классификация грузоподъемных машин приведена на рис. 2.2.
Из большого перечня рассмотрим лишь несколько примеров строительных технологических машин этого подкласса. На рис. 2.22 показан грузоподъемный гусеничный кран
из группы кранов стреловидного типа.
Изменение вылета управляемого гуська башенно-стреловидного оборудования производится грузовой лебедкой вспомогательного подъема. Электроэнергией кран питается
от собственной силовой установки, находящейся вне крана, или от внешней сети.
Башенные модульные краны. Эти краны серии КБМ представляют собой особую
группу. Они спроектированы из унифицированных элементов –модулей: секции башни и
стрелы, механизмы, кабины управления, электрошкафы, опорно-поворотные устройства,
блоки противовеса, канатно-блочные системы. Предусмотрены 4 базовые модели кранов
КБМ на грузовые моменты в 100, 160, 250 и 400 тм и грузоподъемностью от 8 до 25 т.
В модульных кранах предусмотрены: увеличенные скорости, гидромонтаж, балочные
стрелы, подъемники для машиниста. Они позволяют сократить потребность в запчастях,
52
упростить технологию монтажа, повысить производительность и уменьшить эксплуатац ионные расходы.
Кран КБ–401Б (рис. 2.23) с подъемной стрелой имеет грузоподъемность 8 т. На нем
смонтирована многоскоростная лебедка, обеспечивающая разные скорости подъема.
Кран КБМ–401П обладает грузоподъемностью 10 т и представляет собой модель модульного башенного крана. Помимо базовой модели в кране с помощью сменных модулей
башни и стрелы можно получить 32 исполнения, в том числе 27 с балочной и 5 с подъемной стрелой, в том числе 12 исполнений (сборок) башни.
Рис. 2.22. Гусеничный кран СКГ–401Б с башенно-стреловым оборудованием
и его грузовая характеристика для башни 32 м для управляемых гуськов 15,6 м (а), 20,5 м (б), 25,6 м (в),
28,3 м (г): 1– крюк; 2 – исполнения управляемого гуська; 3 – тяги гуська; 4 – тяги полиспаста изменения вылета гуська; 5– тяги стрелового полиспаста; 6 – противовес; 7 – башня;
8, 9 – предохранительные тяги башни и гуська
Для каждого исполнения можно иметь один из трех типов привода грузовой лебедки:
переменного тока многоскоростная, переменного тока с переключаемым редуктором и п остоянного тока. Два последних привода обеспечивают высокие скорости подъема грузов
53
массой до 2,5 т подъема-спуска крюка. Кабина с электрооборудованием в виде отдельного
блока расположена на платформе
Сменные модули башни длиной 5,6 м и стрелы по 5 м позволяют получать высоту
подъем при наибольшем вылете от 24,8 м до 58,4 и вы. 20, 25, 30, 35 и 40 м. При подъемной стреле набольшая высота составляет 74 м.
Стрела балочная может быть установлена под углом 30 о , что дополнительно увеличивает высоту подъема на 8,1 м.
По наклонной стреле может перемещаться грузовая тележка.
Рис. 2.23. Башенный передвижной кран КБ–401Б; позиции:
1 – поворотная платформа: 2 – ходовая тележка; 3 – противовес: 4 – стреловой полиспаст;
5 – стреловой канат; 6 – крюковая подвеска; 7 – стрела; 8 – кабина управления; 9 – башня;
10 – механизм поворота; 11 – грузовая лебедка; 12 – флюгер рамы
Приведем пример мобильного крана на шасси автомобильного типа. Это кран КС–
5473Б (рис. 2.24) грузоподъемностью 25,0 т, гидравлический, смонтирован на трехосном
шасси с двумя задними ведущими мостами. Колесная формула 6 x 4. Шасси оборудован о
пневматическими тормозами для торможения во время движения и во время стоянки.
54
Рис. 2.24. Кран на шасси автомобильного типа КС–5473Б:
1 – стрела; 2 – крюковая подвеска; 3 – гидроцилиндр; 4 – кабина; 5 – лебедка; 6 – противовес;
7 – поворотная платформа; 8 – шасси; 9 – двигатель
Передний мост соединен с рамой шасси полуэллиптическими рессорами и рычажной
системой. Задние мосты имеют балансирную подвеску. Колесами переднего моста управляют с помощью руля с гидроусилителем.
Коробка передач обеспечивает шесть скоростей движения вперед и одну назад. Она
дает дополнительно две скорости движения по шоссе и по местности. Трехсекционная
стрела имеет две выдвижные секции, перемещаемые длинноходовыми цилиндрами и канатным мультипликатором. На стреле могут быть укреплены решетчатый удлинитель под
углом 0 и 15° и гусек.
2.3. Базовые машины и ходовые устройства машин строительного комплекса
Базовые машины. Базовыми машинами служат тракторы, автомобили и одноосные
тягачи с местами крепления, на которые устанавливают или к которым присоединяют рабочее оборудование дорожно-строительной техники. Базовые тракторы бывают сельскохозяйственного и промышленного исполнений различных модификаций.
К сельскохозяйственным относят гусеничные тракторы типа ДТ–75НД и колесные
тракторы МТЗ, Т–150К, которые применяют в качестве базовых машин бульдозеров, скреперов, навесных одноковшовых экскаваторов, трубоукладчиков.
Промышленные модификации созданы на базе трактора Т–4АП2, приспособленного
для навешивания бульдозерного оборудования, присоединения прицепного скреперного
рабочего органа. Промышленные тракторы
Т–170, ДЭТ–250М, Т–330, Т–25.01 и другие, специально созданы для работы с дорожностроительными машинами.
Базовые тракторы различают:
по конструкции ходового устройства – гусеничные и колесные;
по расположению двигателя – с передним и задним расположением;
по системе управления поворотом – с передними и задними управляемыми колесами
и с бортовым поворотом гусениц;
по системе привода хода – с задними и передними ведущими колесами и со всеми
ведущими колесами.
В зависимости от тягового класса (легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые) мощности и допускаемых нагрузок тракторы, тягачи и автомобили определяют основные параметры строительных технологических машин.
Наиболее типичная компоновка базовой машины – с передним расположением двигателя (это обеспечивает наибольший КПД) и рабочим местом сзади. Базовых моделей
много. Например, это цельнорамные конструкции тракторов ДТ–75Н, Т–170, Т–25.01 и др.
55
В отличие от гусеничного трактора колесные базовые машины снабжены рулевым
управлением, которое воздействует на передние колеса, а посредством рулевого механизма осуществляют управление движением машины. По подобной схеме выполнены легкие
колесные тракторы типа «Беларусь», применяемые для агрегатирования с бульдозерным
погрузочным оборудованием.
Обычно базовые колесные тракторы выпускают безрамной конструкции. Ведущий
мост состоит из главной передачи, дифференциала, тормозов, конечных передач, которые
передают вращение задним ведущим колесам. Спереди трактор опирается на передний
поддерживающий или ведущий мост с колесами. Передний мост крепят шарнирно к подрамнику двигателя для трехточечной подвески ходовой части. Это дает возможность всем
четырем колесам находиться в постоянном контакте с рабочей поверхностью. Сзади трактора расположена кабина с сиденьем и органами управления.
Базовые колесные тракторы с шарнирно–сочлененной рамой Т–150К (рис. 2.25 и
2.26) состоят из подмоторной 17 и грузовой 3 полурам, которые могут поворачиваться одна относительно другой, вокруг вертикального шарнира 5 для изменения направления
движения и горизонтального шарнира 4 для движения по неровной поверхности. На полураме 17 установлены двигатель 18, главная муфта сцепления 21, коробка передач 23, раздаточная коробка 24, подмоторный ведущий мост 20.
Мост подвешен на полураме на двух рессорах 19. Кроме того, на этой раме размещена кабина машиниста 8, где находятся воздухоохладитель 9, рулевое управление 10,
приборы и рычаги 11 управления механизмами трактора, сиденье машиниста 7. Воздухоохладитель 9 создает в кабине комфортные условия для машиниста. На полураме 3 размещен грузовой ведущий мост 1. Каждый мост оборудован двумя колесами (поз. 2).
Ведущие мосты 1 и 20 соединены с раздаточной коробкой карданными передачами
22. Для плавности хода подмоторный мост подвешен на полураме при помощи рессорной
подвески с гидроамортизаторами, грузовой мост прикреплен к полураме жестко.
Трактор оборудован гидроприводом для управления рабочим оборудованием дорожно-строительных машин, электрооборудованием для работы в ночное время, гидропневматическим управлением.
Рис. 2.25. Базовый колесный трактор Т–150К – компоновка
56
Рис. 2.26. Общий вид базового колесного трактора Т–150К
Для исследования или изучения строительной технологической машины, понимания ее
назначения и работы отдельных узлов, пользуются принципиальными технологическими,
кинематическими и конструктивными схемами. Так как все узлы и агрегаты машины взаимосвязаны функциональным выполнением заданной машине работы, а от согласованной работы всех агрегатов зависит работа машины в целом, то исследование особенностей кинематических взаимосвязей является обязательным.
Для этого принципиальная схема машины представляется в упрощенном виде реализации предназначенного к исполнению технологического процесса, выполняемого машиной. В
итоге прослеживаются принципы воздействия рабочих органов машины на обрабатываемую
внешнюю среду.
Кинематическая схема с помощью условных обозначений деталей и механизмов показывает способы и средства передачи движения от силовой установки рабочим органам и ходовой части. Кинематическая схема дает представление о путях, по которым идет передача
движения, позволяет определить усилия и скорости движения рабочих органов и судить о
степени сложности отдельных механизмов и всей машины в целом.
По кинематической схеме нельзя уяснить взаимное расположение узлов и деталей в
пространстве, для этой цели служит конструктивная схема. Она дает представление о внешнем виде всей машины. Наличие указанных схем облегчает изучение машины и позволяет
оценить возможности применения ее для различных видов работ.
Чтобы понять устройство и эффективно обслуживать машины, кроме технологической,
кинематической и конструктивной схем иногда на сложные машины необходимо знать монтажную схему, которая позволяет понять монтаж или установку узлов. На монтажной схеме
приводятся установочные размеры, номера деталей и узлов и рассматривается последовательность сборки. Всякая строительная технологическая машина состоит из принципиально
одинаковых базовых узлов, поэтому изучение работоспособности объекта разумно проводить по исследованию поведения типового узла.
Так, типовая самоходная строительная машина состоит из следующих основных узлов:
ходовой части (шасси), рамы, силовой установки, силовой передачи, рабочего органа и системы управления. Изучение особенностей работы специфики подсистем и отдельных узлов
позволяет точно установить эксплуатационные особенности всей машины.
Кратко укажем некоторые особенности основных узлов машин.
Платформа (остов машины) или рама служит для размещения на ней рабочих органов,
силовой установки, трансмиссии, системы управления и другого оборудования.
57
Это основная по содержанию область исследований, обеспечивающая работоспособность всей машины.
Рабочий орган предназначен для производства машиной рабочих операций и является
основной, главной по предназначению технологической частью. Принятая конструкция рабочего органа машины определяется назначением объекта.
Источником энергии для привода в действие рабочего органа и механизмов машины
при выполнении требуемых рабочих операций и передвижении в пространстве является силовая установка.
Силовая передача (например, трансмиссия) обеспечивает передачу энергии, выработанной двигателем, силовой установкой, к рабочим органам и ходовой части машины.
Ходовая часть вместе с платформой является основанием или опорой машины на поверхность и обеспечивает её мобильность. Она, поддерживая раму, передает давление от веса машины на поверхность дороги или грунта и служит для передвижения машины при работе или транспортировке.
Система управления обеспечивает управление рабочими органами, силовой установкой
и другими механизмами машины.
Таким образом, чтобы осуществить работы по повышению эффективности эксплуатируемых машин, надо исследовать не только работу всей машины во взаимосвязи её подсистем, но и вклад в интегральный показатель надежности и долговечности всех базовых агрегатов, узлов и деталей.
Причем необходимо изучить, установить влияние каждого элемента, имеющихся взаимосвязей на работоспособность машины в целом, в том числе в динамике и экстремальных
условиях эксплуатации.
Рассмотрим влияние и взаимосвязи эксплуатационно-технические характеристики
строительных технологических машин.
2.4. Эксплуатационно-технические характеристики машин
К эксплуатационно – техническим характеристикам машин относятся показатели, характеризующие машину с производственной (технологической) и экономической сторон.
Используют также интегральные показатели, указывающие возможности эффективного использования конкретной машины (или группы) для инженерного обеспечения строительных
объектов. Обычно используют такие показатели, которыми можно оценить каждую машину
с точки зрения технологической возможности и экономической целесообразности примен ения ее для выполнения тех или иных видов работ в определенных конкретных условиях
применения.
С экономической стороны машину характеризуют такие показатели, как производительность, энерго- и металлоемкость, количество обслуживающего персонала и требуемая
его квалификация, надежность, долговечность и другие показатели, влияющие на себестоимость единицы осваиваемой продукции.
С производственной стороны машина характеризуется способностью высокопроизводительно выполнять заданную работу, возможностью использовать ее в конкретных условиях или способность выполнять широкий спектр операций. Важен учет таких параметров, как
габаритные размеры, проходимость и подвижность, маневренность машин, устойчивость
приспособленность к обстановке.
Производительность технологической машины зависит от ее конструктивной характеристики. Кроме того, на нее влияет ряд факторов, в частности: условия эксплуатации, характер и качество материала, перерабатываемого машиной, организация работ, режим работы
машины, квалификация обслуживающего персонала и другие.
Влияние этих факторов на производительность машины различно и трудно поддается
учету, поэтому введены понятия теоретической (конструктивной), технической и эксплуатационной производительности.
58
В нормативно–технической литературе эксплуатация определяется как стадия жизненного цикла изделия, на которой реализуется, поддерживается и восстанавливается его качество. При этом под изделием понимаем любой вид техники. В общем виде процесс эксплуатации включает в себя использование изделия (в нашем случае строительные технологические машины) по назначению, а также транспортирование, хранение, техническое обслуживание и ремонт, вплоть до списания. Поясним эти понятия.
В руководящих указаниях Международной организации по стандартизации ИСО устанавливаются 12 этапов типового жизненного цикла продукции (ЖЦП): маркетинг, поиск и
изучение рынка; разработка технических требований и проектирование; материально–
техническое снабжение; подготовка и разработка производственных процессов; производство; контроль, проведение испытаний и обследований; упаковка и хранение; реализация;
монтаж и эксплуатация; послепродажный надзор; техническая помощь в обслуживании; утилизация после использования.
В общем представлении стадия эксплуатации в соответствии с современными тенденциями начинается с этапа реализации, на котором производится предпродажная подготовка
машины. В современных условиях рыночной экономики и реорганизации отраслей стали
действенны все указанные выше этапы, но они реализуются в производственной системе
обеспечения машинами объектов строительства. Отметим, что в общем виде эксплуатация
включает в себя две составляющие: использование машин по назначению и техническую
эксплуатацию.
В соответствии с международными стандартами использование по назначению – это
применение продукции СТМ для целей, предусмотренных техническими условиями и инструкциями, утвержденными поставщиком и штатным применением.
Использование машин по назначению – это эксплуатация, включающая в себя изучение
и реализацию полезных свойств машины, созданных при проектировании и производстве для
выполнения поставленной задачи с целью получения наибольшей ее эффективности, а также
нейтрализации вредных факторов, возникающих при взаимодействии техногенных и природных систем, то есть при эффективном использовании машин необходимо соблюдать существующие правила охраны окружающей среды.
Техническая эксплуатация включает в себя собственно работу машины, её транспортирование, хранение, техническое обслуживание и ремонт машины в период срока эксплуатации. Приведем некоторые термины, которые используются в сфере эксплуатации строительных технологических машин.
Средства эксплуатации – здания, сооружения, технические устройства, в том числе
инструмент, запасные части и эксплуатационные материалы, необходимые для эксплуатации
машины.
Система эксплуатации – совокупность машин, средств эксплуатации, исполнителей и
технической документации, устанавливающей правила и порядок их взаимодействия, необходимой и достаточной для выполнения поставленных задач.
Условия эксплуатации – совокупность факторов, действующих на машину при эксплуатации.
Предпродажная подготовка – целенаправленная деятельность специалистов, выполняющих перечень обусловленных работ, обеспечивающих соответствие машины установленным требованиям и передачу ее в заказчику в исправном (комплектном) состоянии.
Ввод в эксплуатацию – событие, фиксирующее готовность машины к использованию
по назначению и оформленное в установленном порядке. Для специальных видов техники к
вводу в эксплуатацию также относят подготовительные работы, контроль, приемку и закрепление машины за эксплуатирующим подразделением.
Начало эксплуатации – момент ввода строительной технологической машины в эксплуатацию.
59
Ожидание использования по назначению – нахождение строительной машины в состоянии готовности к использованию по назначению, предусмотренное в нормативно –
технической документации и уставными нормами.
Хранение при эксплуатации (хранение) – содержание неиспользуемой по назначению
строительной машины в заданном состоянии в отведенном для ее размещения месте с обеспечением сохранности в течение заданного срока.
Транспортирование при эксплуатации (транспортирование) – перемещение машины в
заданном состоянии с применением при необходимости транспортных и грузоподъемных
средств, начинающееся с погрузки и кончающееся разгрузкой на месте назначения.
Технологическое обслуживание – комплекс операций по подготовке машины к использованию по назначению, хранению, транспортированию и приведению ее в исходное состо яние после этих процессов, не связанных с поддержанием надежности изделия.
Нормальная эксплуатация – эксплуатация машины в соответствии с действующей
нормативно–технической документацией.
Подконтрольная эксплуатация – эксплуатация с целью получения дополнительной
информации.
Лидерная эксплуатация – нормальная эксплуатация заданного числа машин, выделенных для более интенсивного расходования ресурса по сравнению с остальным парком.
Реальная эксплуатация – эксплуатация в сложившихся производственных условиях в
эксплуатирующей организации.
Снятие с эксплуатации – событие, фиксирующее невозможность или нецелесообразность дальнейшего использования по назначению или ремонта машины и документально
оформленное в установленном порядке выбытия.
Конец эксплуатации – момент снятия с эксплуатации по времени, от катастрофического износа или от преждевременного внешнего разрушения.
Технический сервис (обслуживание) – целенаправленная деятельность лиц, ответственных за поддержание в готовности машины, и специальных служб (ремонтных подразделений), не являющихся потребителями машин, но обеспечивающих восстановление работосп особности объекта, их целенаправленной работы, эффективной и безопасной эксплуатации.
Укажем некоторые правила использования машин по назначению.
Подразделения, имеющие строительные машины по штатному расписанию (или получившие машины во временное пользование), должны обеспечить их эффективную работу в
соответствии с назначением при оптимальных затратах труда, топлива, электроэнергии, запасных частей, рабочих жидкостей, смазочных и других материалов за счет прогрессивной
организации труда, применения передовых технологий, безопасных способов транспортирования, качественного и своевременного технического обслуживания и ремонта, а также
обеспечения сохранности техники.
Службы, осуществляющие эксплуатацию строительных технологических машин,
должны обеспечивать безопасность работающих и охрану окружающей среды. Оснащение
машинами по числу и видам должно обеспечивать выполнение заданного объема работ в
установленные календарные сроки при комплексной механизации всех технологических
процессов, полной загрузке машин, а также наименьших затратах труда и материальных
средств на единицу продукции.
Состав и техническое оснащение эксплуатационной базы должны постоянно развиваться и соответствовать числу машин и структуре парка, условиям его эксплуатации, принятым
формам организации технического обслуживания и ремонта.
Существуют нормативные документы:
ГОСТ 25646–95;
Указания по эксплуатации дорожно-строительных машин (ВСН 36–90);
Правила устройства и безопасности эксплуатации грузоподъемных кранов;
Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением;
60
Правила дорожного движения;
Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей;
Правила техники безопасности при строительстве, ремонте и содержании автомобильных дорог;
Типовая инструкция по охране труда при техническом обслуживании и текущем ремонте дорожно-строительных машин;
Положение о техническом обслуживании и ремонте подвижного состава автомобильного
транспорта, а также другие документы, которые следует неукоснительно выполнять.
Эффективное использование машин обеспечивается их высокой технической готовностью и хорошей организацией производства механизированных работ. При этом должны
обеспечиваться требуемое качество, высокая производительность и экономичность работы
машин на режимах, не вызывающих их перегрузки и повышенного износа, а также нормальные условия труда.
Использование машин определяется планом на основе годовых режимов их работы и
данных по производительности.
План использования строительных машин разрабатывают к началу планируемого п ериода их работы и в нем указывают: наименование машины, ее марку (индекс) и инвентарный номер; объекты, на которых она будет использоваться; вид, объем работ и сроки их в ыполнения на каждом объекте.
Ведущие машины работают на объектах, как правило, в 1,5 или 2 смены.
Согласно ГОСТ 25646–95 по каждой технологической машине ведется учет объемов
выполняемых работ, времени нахождения в работе, фактической наработки в моточасах.
Наработка машины определяется по показаниям счетчика, а при его отсутствии – по
данным сменного времени, скорректированным с помощью коэффициента внутрисменного
использования, конкретного для каждого типа машин и вида работ и утверждаемого руков одителем предприятия.
Данные по наработке, произведенному ремонту, простоям и прочие показатели ежемесячно заносятся в формуляр (паспорт) каждой машины. Выполнение плановых технических
обслуживаний и ремонтов машин отмечают в соответствующем журнале учета, а неплан овых – в журнале по устранению неисправностей.
Руководители служб (подразделений) несут непосредственную ответственность за организацию рабочего места, обеспечение эффективного применения строительных технологических машин в производственном процессе и качество выполняемых механизированных
работ; организацию учета и отчетности по использованию машин; проведение инструктажа и
соблюдение правил техники безопасности при производстве работ; сохранность машин как в
период их работы, так и при вынужденном простое на объектах по тем или иным причинам.
Они же контролируют и несут непосредственную ответственность за человека, управляющего машиной; за своевременность и качество проведения технического обслуживания;
сохранность машин, качество подготовки и инструктаж служащих; организацию учета и отчетность по технической эксплуатации строительных машин (обслуживанию и ремонту).
Ответственность за соблюдение правил использования машин по назначению также
несет руководитель.
2.5. Определение параметров выработки строительных технологических машин
Знание технологических параметров, в первую очередь производительности конкретной строительной машины, необходимо при оперативном и перспективном планировании
использования техники, анализе эффективности работы машин, сопоставлении различных
вариантов механизации, распределении техники по объектам, комплектовании механизированных подразделений, выполняющих поставленные задачи. Это обеспечит своевременность
и высокое качество выполнения работ.
61
Производительность строительных машин определяется количеством продукции в
натуральных единицах: метры (м3 ; м2 ; м), тонны, штуки и другие, – выработанных за определенное время (час, смену, месяц, год).
Существуют различные виды производительности. Рассмотрим их.
Различают расчетную (теоретическую) производительность, определяемую аналитически, и фактическую, получаемую из отчетных данных.
Теоретическая производительность (Пк) – это расчетная максимально возможная производительность машины при обработке условного материала в условной производственной
обстановке при полном отсутствии простоев, непрерывной работе машины на расчетном режиме, то есть при расчетной нагрузке на расчетных скоростях.
Для машин непрерывного действия часовая теоретическая производительность
Пк = 3600 Fv (м3 /ч),
(2.1)
2
где F – поперечное сечение потока непрерывно движущегося материала, м ; v – скорость движения потока, м/с.
Для машин цикличного действия часовая теоретическая производительность
Пк = 3600q / t ц ,
(2.2)
3
где q – геометрическая вместимость, например, ковша, м ; L – время цикла, с.
В зависимости от степени учета условий эксплуатации расчетная производительность
подразделяется на конструктивно–расчетную, техническую и эксплуатационную.
Конструктивно–расчетная производительность определяется на этапе прогнозирования и задается при формировании технического задания (задача) на проектирование (объекта
строительной структуры), при этом обусловливается выбор параметров и характеристик машины.
Это максимально возможная производительность при непрерывной работе машины в
течение фиксированного промежутка времени (цикла, часа) с максимальным использованием
мощности двигателя и рабочих скоростей, то есть с исключением простоев и потерь энергии.
Определяется она в зависимости от принципа действия машины.
Конструктивно-расчетная производительность строительных технологических машин
цикличного действия (экскаваторов, бульдозеров, скреперов, щековых дробилок, грузоподъемных кранов) находится делением количества материала, разработанного (перемещенного)
за цикл работы машины, на продолжительность этого цикла.
При этом часто количество материала определяют по вместимости рабочего органа
(ковша) или грузоподъемности крана, а также по известным формулам для расчета объема
призмы волочения бульдозера или объема призмы материала, высыпающегося из щели дробилки. Конструктивно–расчетная производительность машин непрерывного действия (траншейных экскаваторов, а также конвейеров и элеваторов, автогрейдеров, асфальтоукладчиков
и дорожных катков и т. д.) во время рабочего процесса рассчитывается умножением площади
поперечного сечения потока материала, разрабатываемого машиной, на скорость рабочего
процесса.
Техническая производительность, в отличие от конструктивно-расчетной, учитывает
условия производства работ, в том числе свойства разрабатываемого материала, степень и спользования рабочего оборудования, технические приемы выполнения работ и т. д.
Техническая производительность (ПТ) – это максимально возможная производительность для данного типа машины в реальных условиях производства, но без простоев. Техн ическая производительность определяется расчетом или умножением теоретической произв одительности на Кт – коэффициент, учитывающий конкретные условия производства:
Пт = Кт Пк .
(2.3)
Техническая производительность – наивысшая производительность строительной машины в данном конструктивном исполнении.
62
Эксплуатационная производительность (ПЭ) машины определяется в реальной производственной обстановке с учетом неизбежных простоев, имеющих место даже при самой высокой организации работ. Эксплуатационная производительность учитывает режимы использования машин по времени, обусловленные простоями, связанными с плохой организацией работ, технологическими перерывами, невозможностью выполнения работ по метеоусловиям, по различным причинам, а также по конструктивно–техническим причинам,
например неплановое приведение машин в работоспособное состояние, низкая квалификация механика–оператора.
Уровень организации работ зависит от простоев вследствие отсутствия фронта работ и
несвоевременной доставки ГСМ, а также от простоев, связанных с организацией труда (отдых оператора, получение задания и ознакомление с чертежами и объектом, рапортов и другой документации).
Технологические перерывы обусловлены необходимостью передвижения машины по
объекту, смены, очистки или регулировки рабочего оборудования, ожидания автотранспорта
и других вспомогательных машин.
Эксплуатационная производительность получается введением специального коэффиц иента в значение технической производительности:
П Э = Ки Ку Пт ,
(2.4)
где Ки – коэффициент использования машины по времени (учет простоев); Ку – коэффициент использования производительности машины (качество управления, квалификация
механика – оператора).
Другие показатели, такие как удельная энергоемкость и удельная металлоемкость машин, позволяют объективно оценить машины при их выборе и сравнении. Удельная энергоемкость (NУд) определяется по формуле
Nуд=N/Пэ,
(2.5)
где N – мощность силовой установки, а Пэ – эксплуатационная производительностью.
Аналогично соотношением веса машины QM с Пэ определяется удельная металлоемкость.
Важным показателем является также проходимость машины, способность объекта преодолевать различные препятствия: неровности пути, колеи, канавы, проходить по переувлажненным и рыхлым грунтам с низкой несущей способностью, заболоченным участкам.
Проходимость машины определяется: удельным давлением на площади контакта ходовых устройств (колес, гусениц) о поверхность дороги; радиусом продольной р1 и поперечной
р2 проходимости; наименьшим просветом С (клиренс) между самой низкой точкой машины
(ось, картер) и поверхностью дороги и углами въезда α1 , или съезда α2 (углом свеса).
На проходимость машины оказывает влияние ее поворотливость или в более широком
понятии – маневренность, то есть способность машины передвигаться в стесненных условиях, что зависит главным образом от ее габаритов, базы и рулевого механизма.
Габариты машины, высота и ширина определяют проходимость машины под мостами,
в туннелях и в других стесненных условиях движения, а также их маневренность.
Следует также учитывать особенности конструкции ходовой части строительных машин. Например, изменение направления движения гусеничных машин производится остановкой или затормаживанием одной гусеницы. При этом машина может развернуться вокруг
оси на месте.
Проходимость колесных машин зависит, в первую очередь, от числа ведущих осей;
диаметра, числа и расположения колес; давления в шинах; типа и жесткости протекторов.
Изменение направления движения колесных машин осуществляется изменением положения управляемых колес и другими способами.
63
Проходимость гусеничных машин зависит не только от удельного давления, передаваемого гусеницами, но и от величины силы оцепления, определяемой характером зацепления
гусениц с поверхностью дороги.
Проходимость передвижных машин во многом зависит от веса, приходящегося на в едущие устройства ходовой части, называемого сцепной вес, ибо величина силы сцепления
ведущих устройств с поверхностью движения ограничивает максимальную тягу машины.
Отметим, что фактическая величина удельного давления гусениц значительно отличается от среднего значения, так как во время движения положение центра тяжести машины
относительно опоры смещается и равнодействующая от внешних сил действует несимметрично гусеницам.
Укажем, что среднее удельное давление на поверхность движения для машин на гусеничном ходу может быть определено соотношением
РУД.СРГ= Q/(2 b L) ,
(2.6)
где Q – вес машины; b – ширина одной гусеницы; L – длина опорной части гусеницы.
Удельное давление у пневмоколесных машин зависит от давления внутри шины, жесткости покрышки и физических свойств грунта:
РУД.СРК= К Рш,
(2.7)
где К – коэффициент, учитывающий влияние жесткости покрышки пневмоколеса ( к –
1,2 …1,25); Рш – давление воздуха в шине.
Важным показателем характеристики машины является ее устойчивость. Особенно это
относится к таким машинам, которые в процессе работы подвергаются воздействию измен яющихся в значительных пределах и с определенной частотой нагрузок, влияющих на устойчивость машины.
К таким машинам относятся стреловые краны и одноковшовые экскаваторы.
Устойчивость машины против опрокидывания обычно обеспечивается ее весом, расп оложением центра тяжести, соответствующим расположением самой машины, ее узлов и деталей во время работы.
Так, для определения устойчивости стрелового крана вычисляют коэффициент грузовой устойчивости, характеризующий отношение момента всех действующих на кран сил Муд
(кроме поднимаемого груза) к моменту, создаваемому грузом относительно точки или ребра,
то есть Мопр – момент опрокидывания.
Оба эти момента определяются относительно ребра или точки опрокидывания. Коэффициент устойчивости опрокидыванию определяют как
Куст = Муд / Мопр .
(2.8)
Из–за сложных условий эксплуатации к строительным технологическим машинам
предъявляется широкий ряд требований. Помимо высокой производительности, проходимости, маневренности и других технологических параметров эти машины должны иметь мощные экономичные двигатели, обеспечивающие высокие транспортные скорости, небольшой
габарит, допускающий без разборки перевозку машины в транспортных средствах.
Современные машины строительного комплекса по устройству не являются простыми,
они одновременно обладают достаточной универсальностью, обеспечивающей выполнение
одной машиной различных по характеру работ, и способны выполнять определенные и различные задачи.
Наличие электронных систем и ЭВМ требуют достаточно высокой квалификации обслуживающего персонала. Рабочие органы машин при относительно небольшом их размере
64
должны быть достаточно прочными и допускать использование их на обработке материалов
с различной структурой и механическими свойствами без снижения производительности.
Выполняя различные задачи, любые эксплуатационные машины и тягачи должны
иметь герметизированные кабины для возможности выполнения работ в зонах химического
загрязнения и радиоактивного заражения.
Рассматривая влияние условий эксплуатации и режимов работы на техникоэкономические показатели (производительность и выработку машин), укажем следующее.
Поиск путей повышения производительности отдельных машин проводят на основе
анализа формул производительности и показателей функционального назначения машин.
Так, повышение показателей энергоэффективности при проектировании, производстве
и эксплуатации машин приводит к росту производительности за счет увеличения объемов и
площади разрабатываемых материалов при соответствующем росте усилий на рабочих органах, а также сокращению времени цикла или повышению скорости непрерывного движения
за счет увеличения рабочей скорости.
Улучшение показателей проходимости повышает коэффициент использования машины
по времени в результате повышения скорости и сокращения времени передвижения ее по
площадке, особенно в стесненных условиях.
Применение самоходных машин, не требующих привлечения дополнительных тран спортных средств, сокращает потери времени на перебазирование и повышает годовой фонд
рабочего времени машины.
Применение сменного рабочего оборудования на экскаваторах и мини–погрузчиках повышает коэффициенты их использования по времени за счет сокращения простоев и пов ышения сменности, обеспечивая возможность выполнения смежных технологических операций одной базовой машиной.
Использование специального рабочего оборудования, например сменных ковшей экскаваторов и отвалов бульдозеров, повышает их производительность за счет увеличения коэффициентов наполнения, уменьшения степени разрыхления грунта и снижения удельного
сопротивления копанию, то есть обеспечивает увеличение значений коэффициента условий
производства работ на объекте.
Внедрение средств встроенной диагностики и бортовых компьютеров сокращает время
простоев машины при техническом обслуживании и ремонте за счет своевременного выявления отклонений в режимах ее работы и оперативного проведения требуемых технических
воздействий.
В процессе работы строительных технологических машин циклического действия
необходимо стремиться к сокращению времени цикла. Например, в экскаваторах это возможно за счет совмещения операций копания и перемещения грунта, а также правильной
расстановки транспортных средств в забое, сокращающей угол поворота экскаватора на в ыгрузку.
Касаясь оценки эффективности работ машин строительного комплекса, отметим следующее.
Эффективность работы машины, зависящая от возможности реализации ее свойств в
конкретных условиях эксплуатации, можно оценивать удельными приведенными затратами.
Этот интегральный показатель определялся следующим образом:
Суд.пр = Се+Ен Куд,
(2.9)
где Се – себестоимость единицы продукции, р./ед.; Ен – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; Куд – удельные капитальные вложения в основные производственные средства, равные частному от деления стоимости машины, включая доставку
к потребителю, на годовую эксплуатационную производительность.
65
Себестоимость единицы продукции определяется делением планово–расчетной стоимости машино-часа эксплуатации (р./маш.–ч) на эксплуатационную часовую производительность (ед./ч) либо часовую выработку машины по данным СНиП или ЕНиР.
В условиях рыночной экономики использование удельных приведенных затрат при
оценке эффективности эксплуатации строительных и дорожных машин вызывает определенные сложности.
Так, в условиях рыночной экономики нормативный коэффициент эффективности кап итальных вложений трактуется как банковская ставка рефинансирования, которая в различные
моменты переходного периода изменяется от 0,15 до 2,0, а в настоящее время колеблется в
пределах 0,4... 0,5.
Приведенные соображения затрудняют использование удельных приведенных затрат в
качестве критерия эффективности эксплуатации машин, так как при этом искажаются результаты расчетов, то есть они получаются неоднозначными.
Расчет эффективности применения строительных и дорожных машин в условиях рыночной экономики можно проводить на основе себестоимости единицы продукции, которая
учитывается для определения прибыли от выполненных работ.
В ряде случаев для сравнения эффективности проведенных работ можно пользоваться
нормативными документами, рекомендуемыми Госстроем России, а именно разработанным
нормативным документом МДС 81–3.99 «Методические указания по разработке сметных
норм и расценок на эксплуатацию строительных машин и автотранспорта». Поэтому сметные расценки на эксплуатацию машин инженерного применения включают в себя следующие статьи затрат, р./маш.-ч,
Смаш = А+ Р +Б +З +Э +С +Г +П,
(2.10)
где А – амортизационные отчисления на полное восстановление; Р – затраты на выполнение всех видов ремонта, диагностирование и техническое обслуживание; Б – затраты на
замену быстроизнашивающихся частей; 3 – зарплата механиков–водителей, управляющих
машиной; Э – затраты на энергоносители; С – затраты на смазочные материалы; Г – затраты
на рабочие и охлаждающие жидкости; П – затраты на перебазировку машин с одного объекта
(площадки) на другой, включая монтаж машин с выполнением пусконаладочных операций,
демонтаж (в случае необходимости), транспортировку и погрузочно-разгрузочные операции.
Себестоимость единицы продукции определяется делением сметных расценок эксплуатации машин на производственную норму выработки либо на часовую эксплуатационную
производительность конкретной машины.
Для увеличения прибыли от эксплуатации строительных и дорожных машин себестоимость единицы продукции необходимо стремиться снизить до минимума, это обеспечивается
повышением часовой эксплуатационной производительности или сокращением эксплуатационных затрат.
Известно, что в составе эксплуатационных затрат самую большую долю (40... 60 %) составляют затраты на топливо (поэтому необходимо применять эффективные способы снижения расхода топлива).
Далее по удельному весу в составе эксплуатационных затрат в зависимости от типа
машины идут затраты на ремонт, диагностирование и техническое обслуживание, оплату
труда или амортизационные отчисления.
Способы снижения затрат на ТО и ремонт – это особый вопрос, который может быть
рассмотрен отдельно. Укажем, что их во многом определяют надежность машины и качество
сервисных работ. Отметим, что амортизационные отчисления определяются нормативами.
Расходы на смазочные материалы и технические жидкости зависят от стоимости энергоносителей, и их экономия тесно связана с эффективным использованием топлива.
66
Снижение затрат на замену быстро изнашивающихся частей зависит от их надежности
(износостойкости), то есть во многом определяется технологической дисциплиной их изготовления и правильной эксплуатацией сменной оснастки, указанной в технической документации.
Таковы технико-экономические аспекты, связывающие параметры выработки с надежностью, работоспособностью и эксплуатационными характеристиками строительных и дорожных машин.
Контрольные вопросы
1. Как классифицируют машины строительного комплекса?
2. Что такое класс, подкласс, группа, подгруппа, вид, подвид, индекс?
3. Что такое типаж машины строительного комплекса?
4. Как подразделяются по назначению строительные машины?
5. Перечислите машины строительного технологического комплекса.
6. Для чего применяют бульдозер, в чем его отличие от скрепера?
7. Чем отличаются технические системы, экскаватор и каток?
8. Перечислите подсистемы и механизмы автогрейдера.
9. Что относится к понятию, базовая машина и укажите её основные узлы?
10. Какие этапы эксплуатации машины Вы знаете.
11. Расскажите о классификации машин для земляных работ
12. Расскажите о классификации грузоподъемных машин.
13. Приведите примеры групп строительных машин в соответствии с установленными
буквенными обозначениями.
14. На какие подклассы по назначению делятся строительные машины и машины, используемые при строительстве объектов.
15. Рассказать об иерархиях строительных машин общего назначения.
16. Укажите основные классификационные группы строительных машин.
17. Как определяют эксплуатационную производительность машины?
18. Как определяют себестоимость единицы продукции?
67
Глава 3. ОСНОВЫ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТС МСК
3.1. Концепция жизненного цикла машин строительного комплекса
Идея концепции жизненного цикла товара (ЖЦТ) была предложена ещё в 1965 г. американским маркетологом Т. Левиттом. В этом понимании товар, попав на рынок, живет своей особой товарной жизнью, называемой в маркетинге жизненный цикл товара.
У различных товаров разный жизненный цикл. Он может длиться от нескольких дней
до десятков лет.
Строительные технологические машины, вступая в строй, предназначены выполнять
поставленные задачи. С этой стороны их жизненный цикл определяется периодом эксплуатации, как принято по штату.
У организаций, эксплуатирующих технику, есть совпадение соответствующих стратегии и тактики с рыночным поведением товара.
Главная задача рыночного маркетинга – удлинить продолжительность жизненного
цикла товара на рынке.
В этой связи точное определение «возраста» товара и соответствующее маркетинговое
поведение могут помочь любому решить данную задачу.
В дальнейшем будем говорить о строительных технологических машинах, особенн остях их работы, эксплуатации, повышении работоспособности на этапах Жизненного Цикла
Изделия (ЖЦИ).
В зависимости от этапа ЖЦИ изменяются объем затрат (и прибыли) предприятия на
производство, становятся иными степень конкуренции и цена техники, поведение эксплуат ационщиков и дифференциация выпускаемых товаров.
При исследованиях работоспособности строительных технологических машин (СТМ)
нами предложены некоторые поправки в развитие терминологии, в том числе, в вопросах
жизненного цикла изделий – ЖЦИ.
Разные периоды жизни изделия имеют зависимости от возраста товара. Наиболее полно
это реализуют на остове стандартов ИСО 9000 и 10000.
Методической основой является понятие «жизненный цикл продукции», включающий
этапы – стадий жизни, на каждом из которых производиться оценка и обеспечивается качество. Этапы таковы:
 маркетинг, поиск и изучение рынка (МР;
 проектирование и разработка требований продукции (РТП);
 материально – техническое снабжение, обеспечение (МТС);
 технологическая подготовка производственных процессов (ТПП);
 производство продукции, оказание услуг (ПР);
 контроль, проведение испытаний и обследований (КИ);
 упаковка и хранение (УХ);
 реализация и распределение продукции (РР);
 монтаж и эксплуатация (МЭ);
 техническая помощь и обслуживание, сервис (ТС);
 утилизация (УТ).
Перечисленные этапы в системе управления качеством оцениваются в литературе как
“петля качества”.
Поэтому качество создаваемой продукции, т.е. выполнение поставленной задачи – это
основная стратегическая линия в деятельности каждого подразделения строительной орган изации, что также соответствует идеологии ИСО с концепцией ЖЦИ.
68
В нашем представлении по аналогии с [11, 34, 36] взаимосвязи обеспечения качества на
этапах ЖЦИ можно выразить, как показано на рис. 3.1.
Цели
Политика качества службы
Поведенческая среда
Устав
Система качества объекта
Жесткие требования
Совершенствование качества
Наивысшие результаты
МР
П
Р
О
Ц
Е
С
С
РТП
УТ
ТС
МТО
СЛУЖБА
ЖЦИ
МЭ
ТПП
ЖЦП
(ТС СТМ)
РР
ППП
БАЗА
УХ
Учет
КИ
Обеспечение
качества
Контроль
Анализ
Принятие
решений
Управление качеством
исполнения
Рис. 3.1. Схема взаимосвязи качества выполнения поставленной задачи и ЖЦИ
3.2. Общие закономерности технологической наследственности
в процессах жизненного цикла изделия
В теории и на практике существуют сложные взаимосвязи процессов жизненного цикла
изделия с технологической наследственностью объекта (ТНО), подвергшегося проектированию, изготовлению и эксплуатации.
Известна структурная схема ЖЦИ, где выделены два уровня по трем базовым учетным
факторам технической системы ТС. Однако в подобной схеме на этапах ЖЦИ ТС не учитывается в должной мере технологическая наследственность объекта, хотя ТНО является важнейшим явлением, особенно на стадиях производства и эксплуатации.
Отметим, что для строительных технологических машин важным является учет техн ологической наследственности еще на этапе проектирования, так как учет постоянных и временных нагрузок определяет применение тех или иных методов расчета, от которых зависят
69
учет и назначение коэффициентов надежности по нагрузке (или перегрузки) и коэффициентов запаса.
Существуют методика и структурная схема, учитывающая ТНО как функцию ЖЦИ,
которая применима для различного технологического оборудования и объектов ТС [37].
Предложенный учет ТНО дает возможность еще точней установить связь между эксплуатационными характеристиками технической системы строительной технологической
машина (ТС СТМ) и управлять ими на этапах ЖЦИ. Учет ТНО в ЖЦИ отражает связь между
многими параметрами процесса, в том числе утраты работоспособности технической системы машины.
При анализе элементов системы за основу следует взять структурную схему либо приоритетный узел (объект с его структурой), на который направлено исследование (действие)
или развитие системы. Если задачей является усовершенствование путем модернизации ТС,
то рассмотрению (изучению) подлежит вся структурная схема объекта.
Исследуем особенности предложенной структурной схемы ЖЦИ с позиции ТНО, как
функции. Выделим основные этапы в ЖЦИ, где ТНО имеет свои особенности процессов.
Разобьем их на уровни и подуровни.
Начальным уровнем (подуровнем) является процесс проектирования и расчета объекта.
Он включает степень учета влияния ТНО в зависимости от качества научных исследований и
идеи (направления) конструкторских разработок. Назовем этот уровень – УРКД, то есть уровень разработки, конструкции и создания необходимой документации (включая электронное
сопровождение). Отметим, что для ТС СТМ на этом этапе важно выбрать правильную методику расчета, которая определит запас прочности и надежности. Сложность современной ТС
и производственных процессов ее изготовления приводят к тому, что эту важнейшую подсистему ЖЦИ необходимо выделить в отдельный – базовый уровень. Итак, имеем уровень
производства изделия – УПИ.
Чтобы в полной мере учесть влияния ТНО на изготавливаемый объект, требуется провести подробную систематизацию элементов и объектов этого уровня. При учете факторов
технологической наследственности в общем виде уровень производства изделия может
включать несколько составляющих.
Нами предложено выделить следующие основные составляющие.
Во – первых, это существующая совокупность (множество) свойств заготовки на входе
в систему производства (технологический процесс изготовления изделия), в том числе включающая учет «металлургической» наследственности объекта (деталей: валов, кронштейнов и
т.п.); это есть технологическая наследственность, которую обозначим ТНОm или{∆m0 }.
Собственно совокупность технологических факторов для каждой из операций (Fp),
например механической обработки заготовки, соединения сваркой, разъединения при порезке, с учетом технологической наследственности объекта от предыдущей может быть представлена как ТНОp–1, то есть {∆Тpn}. Есть также совокупность характеристик готового изделия (собственно система ТС СТМ), которая описывается на выходе окончательной операции системы производства деталей с учетом ТНОдт или {∆mp}.
Примем, что обобщенной характеристикой готового изделия на выходе из подсистемы
производства с учетом ТНОp (в том числе, механических операций резанием, термических,
регулировочных и т. д.) является подсистема технологического процесса, которая представлена нами как подсистема вида ТНО ИЗД , то есть это {∆ТНОpс }.
На работоспособность исследуемого объекта ТС СТМ влияет много факторов. Уточним
некоторых из них. Так, для объектов класса «деталь» факторы таковы: величина износа (весовой или объемный износ, износ в определенных точках поверхности); величина отклонения рабочей поверхности от заданной геометрической формы; параметры микрогеометрии,
физико-механические характеристики материала детали и ее поверхностных слоев.
Для конструкции строительной технологической машины – это учет влияния, например, силовых нагрузок, изменяющихся в процессе эксплуатации как по характеру, так и величине, включающих экстремальные сезонные тепловые (нагрев–охлаждение) воздействия.
70
Для агрегатов и узлов, подлежащих учету при изготовлении подобных факторов еще
больше: это точность обработки деталей и сборки узла, качество обработанной поверхности,
качество сборки, регулировки.
Для узлов трения, которых много в любой машине, необходимо учитывать особо важные при эксплуатации следующие факторы: контактная жесткость; прочность перемещений
сопрягаемых деталей; температура в зоне трения; уровень вибраций деталей; зазор и др.
Если исследуемое изделие типа диагностического оборудования используемого при обслуживании ТС СТМ, то факторами являются производительность процессов работы на оборудовании, затраты времени и средств на наладку, ремонт и т. п.
Когда объектом исследований является двигатель машины (автомобиля–базы), то это
следующие параметры: коэффициент полезного действия, мощность энергетической установки и другие, которые являются учитываемыми факторами.
Таким образом, к указанным группам ТНО относятся различные нагрузочные воздействия, которые необходимо учитывать при проектировании, изготовлении и эксплуатации
объекта. Обозначим их как х1 , х2 , …, xq.
При этом в качестве нагрузок могут быть, например, для деталей трущихся сопряжений
и узлов машин: нагрузка или удельное давление на поверхности трения; скорость относительного перемещения сопрягаемых деталей; температура среды и другие.
Для агрегатов, машин и конструкций важны переменные динамические факторы,
например, если это самоходные транспортные объекты (ТС СТМ), то это учет скорости дв ижения автомобиля на определенных участках дороги, всевозможные локальные воздействия
и другие факторы.
Приняли, что следующий базовый уровень учета ТНО в исследуемых системах определяют условия эксплуатации системы. В него входят также процессы развития системы, которые включают модернизацию узлов строительной машин, то есть совершенствования системы на этапе эксплуатации.
Так как модернизацию проводят либо всего объекта, либо его части, то следует расширить упомянутый уровень условиями модернизации, поэтому его можно представлять, как
уровень эксплуатации и модернизации, который обозначим как УЭМ.
Существует систематизация элементов систем и установлены взаимосвязи между уровнями. Особое внимание при исследованиях уделено трем вышеуказанным уровням, а именно: I (УРКД) – II (УПИ) – III (УЭМ), которые позволяют создать модели (в том числе наглядную графическую) проявлений и учета факторов ТНО в ЖЦИ любой системы.
Полная структурная схема объекта с учетом ТНО может быть представлена в любой
форме, лишь бы она отражала в наибольшей степени взаимосвязи подсистем и процессов
технологической наследственности, например это может быть функция вида: ТНО = f
(ЖЦИ). В общем виде для технической системы она представлена на рис. 3.2 [11, 34, 36].
Некоторые авторы предлагают учитывать процессы наследственности исследуемых
объектов в виде системы, где реакция Н0 (она связана с внешним воздействием Х0 ) имеет
функциональную зависимость вида Н0 = f(Х0 ).
Эту зависимость называют определяющим уравнением или определяющим законом,
который в общем виде формулируется следующим образом: реакция Н0 (t) в момент времени
t определяется не только величиной Х0 (t) в тот же момент, но также всей историей изменения
функции Х0 (τ), τ (–∞, t). Определяющий закон представляют также в виде символической
H
F t (X0 )
записи 0
, на отрезке времени τ [0,T] X0 (τ) ≠0, а при t >T имеем X0 ≡0. При этом
в моменты времени t >T, когда воздействие X0 отсутствует, система еще сохраняет изменения, связанные с этим воздействием в предшествующий отрезок времени, что имеет запись τ
[0,T].
Часто реакция Н0 и воздействие X0 могут иметь различный физический смысл. Так,
применительно к процессам утраты работоспособности деталей и узлов, например скрепера
в качестве, X0 следует принять внешнее нагрузочное воздействие: давление, скорость и т. д.
71
В этом случае реакцию системы Н0 можно выразить через интенсивность изнашивания
трущейся поверхности механических узлов или как скорость изменения определяющего п араметра (например, жесткость, зазор).
Считается, что в подобных случаях связь между нагрузочным воздействием и реакцией
системы достаточно сложна и, как правило, применение линейных теорий возможно лишь
при существенном ограничении диапазона измерений указанных параметров и введении р яда предположений с целью упрощения исследуемой системы. Совершенствование методов
оценки, прогнозирования и повышения надежности машин и конструкций во многом связано
с представлением их в виде систем, процесс утраты, работоспособности которых обладает
последействием.
1. Исследование
системы и обоснование параметров
2. Разработка конструкции ТС СТМ с
учетом ТНО
3. Создание
документации
4. Изготовление
(производство)
объекта (ТС СТМ)
5. Производство заданного объекта (машины )
T11
T1n
∆10
∆11
5.1.
F1ТНОм
∆m0
T21
T2n T(p–1)1
T(p–1)n Т p1
∆12
∆1(p–
5.2.
F2ТНО1
∆m1
5.3.
Fp–1ТНОp–2
∆m2
1)
Tpn
∆1p
5.4
FpТНОp–1
∆m(p–
∆ТНО p
∆mp
1)1
6. Эксплуатация с учетом проявлений технологических наследственных
факторов объекта (строительные инженерные машины)
6.1.Подготовка
к вводу в эксплуатацию с
учетом ТНОр
6.3. Эксплуатация системы СТМ с
учетом ТНО
6.2.Приработка
(Испытания)
7. Модернизация объекта с учетом ТНО
6.4.Учет и наработка
поправок для системы, набор заявок на совершенство
8.Работы по прекращению
эксплуатации объекта
ТНОm*
9. Капитальный ремонт
10.
Утилизация
Рис. 3.2. Структура и графическая модель ЖЦ объекта (ТС СТМ) с учетом ТНО
Развитие этого направления базируется на учете физических явлений, сопровождающих процессы их проектирования, изготовления и эксплуатации. Это те самые этапы, кото72
рые составляют суть уровня конструкторской документации, названной нами УРКД. Затем
уровни производства изделия УПИ и уровень эксплуатации с учетом анализа работоспособности изделия – УЭМ. Отметим, что на процессы утраты работоспособности машины большое влияние оказывают технологические, конструктивные и эксплуатационные факторы, их
количество и взаимосвязи.
Модели этих процессов могут быть разработаны. К тому же они строятся как на основе
изучения связей эксплуатационных свойств деталей, узлов, механизмов и машины в целом,
так и с учетом условий технологий изготовления деталей и сборки систем, а также с учетом
условий и режимов эксплуатации, включая экстремальные. Большинство этих связей можно
отнести к связям наследственного типа.
Одним из основных законов развития строительной технологической машины является
целенаправленное управление взаимосвязями эксплуатационных показателей с технологической наследственностью.
При оценке конкретного варианта машины с определенными значениями эксплуатационных показателей учитывают, что каждый из них имеет постоянную весомость. При этом
существует постоянный темп роста какого–то обобщенного показателя, который может быть
при одновременном и пропорциональном изменении всех показателей, входящих в систему.
Считается, что при изменении значений весомого показателя его влияние на рост
обобщенного показателя постепенно затухает. Это происходит из–за ограничений, создаваемых другими показателями, которые остаются неизменными. Если в исследуемой системе
изменен по сравнению с базовой хотя бы один показатель, то изменяются весомости всех показателей, входящих в иерархию.
Отмеченное выше явление затухания влияния одного показателя на обобщенный обычно характеризуется показательными или экспоненциальными зависимостями, имеющими
участок насыщения. Эта зависимость выглядит так:
dx
1 dx
kx,
k
dt
x dt ,
при
(3.1)
где k – константа, характеризующая (в среднем) отклики потребителя на изменения облика ТС (СТМ), то есть относительная скорость роста х.
При резком изменении внешних условий приемлем закон вида
dx
dt
f ( x , x ),
(3.2)
где кроме стимулирующих факторов (х +) имеются и сдерживающие факторы (х_). В
этом случае рост характеристики х ограничивается некоторым уровнем b; поэтому закон
(3.1) примет вид
dx
k x (b x),
dt
( k>0, 0<x<b ).
(3.3)
Считается, что в этих условиях развитие системы можно описать дифференциальным
уравнением вида
dx
(3.4)
f ( x) g (t ),
dt
где f(x) – функция, описывающая состояние объекта в любой момент времени, g+(t) –
функция, описывающая стимулирующее развитие системы во времени.
Такая постановка вопроса не всегда освещает поведение ТС СТМ в ЖЦИ и не полностью отражает влияния ТНО на ее разных стадиях.
По мнению [11, 34], адаптированный закон развития системы с учетом влияния технологической наследственности объекта на основных уровнях ЖЦИ может выглядеть таким
образом:
dx1
I (УРКД): dt
f o ( x o ) g ТНО
73
УРКД
( xt1 )
;
(3.5)
dх 2
II (УПИ): dt
dx3
III (УЭМ): dt
f УРКД ( x 1 ) g ТНО
f УПИ ( x 2 ) g ТНО
УЭМ
УПИ
( xt2 )
;
(3.6)
( xt3 )
.
(3.7)
Адаптированный обобщенный закон развития системы с учетов влияния ТНО выглядит так:
dxi
ЖЦИ
f ЖЦИ ( x i 1 ) g ТНО
( xti )
dt
.
(3.8)
Использование закономерностей проявления ТНО в ЖЦИ позволит изучать и целен аправленно управлять процессом технологической наследственности объекта (строительных и
дорожных машин) на любом уровне. Эти знания помогают отыскать наиболее рациональные
методы проектирования и изготовления, достичь оптимального качества системы, а также
добиться повышения надежности и долговечности её работы и управлять системой при её
эксплуатации.
Изложенные методика и структурная схема, учитывающая технологическую наследственность в ЖЦИ, приемлема для описания любой технической системы (машины или отдельного технологического оборудования).
3.3. Соответствие свойств системы ТС МСК
заданным требованиям её работоспособности
Рассмотрим соответствие свойств системы с заданными требованиями. Чтобы оценить
две системы, независимо от того что это конструкция машины или система обслуживания
ТС СТМ, надо сравнить их между собой, охарактеризовав их основные свойства. Чаще всего
для определения свойств используют следующие методы и приемы: измерения; экспертные
оценки; моделирование; вычисления или считывание; сравнение; определение оптимального
уровня свойств. Рассмотрим особенности указанных приемов.
Измерение. Определяемые количественно свойства технических систем, находящихся в
эксплуатации, можно установить путем измерения, а определяемые качественно – с помощью экспертной оценки специалистов. Измерения – это профессиональные операции, имеющие свои рабочие методики.
Особый подход необходим при продолжительных измерениях, например при определении срока службы деталей. Требуемые свойства можно определить и косвенным путем –
по известной зависимости одной величины от другой, измеряемой проще, например срок
службы в зависимости от износа.
Экспертная оценка. Ей могут быть подвергнуты любые реальные объекты. Чтобы получить надежные результаты, нужно точно определить свойства и критерии их оценки. Если
о технической системе сказано, что она ремонтопригодна, то эта оценка должна быть подкреплена такими аргументами, как легкость определения отказа, доступность деталей, быстрота ремонта.
Определенную сложность представляет собой экспертная оценка неизмеряемых величин. Еще сложнее выглядит ситуация с экспертной оценкой, если о системе имеется лишь
приблизительное представление. В этом случае приходится использовать моделирование.
Моделирование. Благодаря широкому и успешному использованию компьютерных технологий широкое применение находит моделирование процессов и систем. Исследование
абстрактной машинной модели много сложнее измерений физической реальности. В том
случае, когда нет реальной машины, но есть похожие, конструктор может основывать свою
идею на опыте схожих ситуаций, его выводы еще относительно просты.
Однако когда требуется оценить новую ситуацию, то для объективной оценки предпочтительно использовать моделирование – представление реального объекта или процесса доступными физическими или математическими средствами [7].
74
Модель всегда имеет определенное назначение. Отношения между моделью и оригин алом регламентируются законами подобия. Закономерности сходства являются предметом
теории подобия. Теория подобия опирается на теорию размерностей и критерии подобия, которые позволяют выразить процесс или свойство посредством безразмерной функции.
При этом, прежде всего, выясняют, какого рода подобие между моделью и оригиналом
нас интересует, то есть какие свойства оригинала должны быть учтены в модели и какие цели преследуются при этом. Соответственно этому разрабатываются функциональные, структурные и масштабные модели.
В зависимости от средств моделирования различают следующие виды моделей: икон ические, аналоговые, символические [18].
Иконические средства, они имеют большие внешнее сходство между моделью и оригиналом, то есть сходство велико. Свойства воспроизводят оригинал в двух– или трехмерном
измерении, по необходимости в уменьшенном или увеличенном масштабе, например чертежи, объемные модели машин и кранов, фотографии и т. п.
Аналоговые, которые сходны с оригиналом только по некоторым функциональным
свойствам. С помощью этих моделей можно воссоздать, например, статические и динамические свойства оригинала.
К ним относятся графы, диаграммы и физические модели, в которых используется п одобие явлений.
Символические, которые изображают свойства оригинала с помощью слов или математических символов.
Вычисления и считывание. Когда имеются графики, можно получить искомые показатели для данных условий путем считывания. Показатели, выражаемые формулами, можно
определить вычислением с применением аналоговых или цифровых вычислительных машин.
Сравнение. В этих целях используют эталон, например, формы поверхности (профиль
зуба шестерни) служит вместе с тем и моделью. Степень реализации искомого свойства
определяют путем сравнения изделия с образцом.
Определение оптимального уровня свойств. В технике часто необходимо определить
оптимальный уровень свойства для заданных условий, например оптимальные скорость,
мощность, форму, количество. Для определения оптимального уровня свойства используются знания об отношениях между свойствами.
Обычно изменения условий на одни свойства воздействуют положительно, на другие –
отрицательно. Оптимальный уровень свойства может изменяться дискретно (например, чи сло несущих опор, цилиндров двигателя, винтов) и непрерывно (толщина покрытия детали,
скорость движения машины). Определение оптимального уровня свойства может быть осуществлено графически или аналитически путем расчета.
Дискретно изменяющиеся свойства. Оптимальный вариант по себестоимости (эффективность) определяется путем расчета всех дискретных вариантов. В сложных случаях применяют метод линейного, нелинейного или динамического программирования. Наилучшим
вариантом оказывается тот, для которого экономическая эффективность максимальна.
Непрерывно изменяющиеся свойства. В таком случае оптимальный уровень свойства
определяется аналитическим методом. При этом рассматриваемое свойство Е представляется
виде функции непрерывно изменяющегося оптимизирующего параметра, например
E = F(x) [7, 18].
Параметр х имеет оптимальное значение х О, когда F(x) принимает экстремальное значение, определяемое из уравнения F'(xo) = dE/dx = 0.
В зависимости от того, что нас интересует – максимум или минимум, выбирается вариант, для которого вторая производная F"(x) меньше или больше нуля. Аналогичный метод
применяют, когда определяют оптимум функции двух непрерывно изменяющихся параметров. Оптимизацию по двум параметрам нельзя проводить независимо.
75
Исследуемое свойство выражается как функция параметров х, у, например расход масла
через трубопровод в зависимости от его поперечного сечения и срока службы. При этом
свойство Е определяют как функцию оптимизирующих параметров х и у, то есть E = F(x,y).
Отметим еще один вопрос важный с точки зрения совершенствования систем. Речь
идет о формировании перечня требуемых свойств технической системы при её создании или
разработке. Когда говорят о технических требованиях, технических условиях или техническом задании, то всегда подразумевают наличие полного перечня точно сформулированных
требуемых свойств технической системы. Неполное указание требуемых свойств объекта
становится причиной дефектов изделий.
Содержание и форма перечня требуемых свойств различны в каждом конкретном случае проектирования или обслуживания строительной технологической машины. Обычно их
обусловливает множество факторов, в том числе, такие:
 сложность выполняемой функции;
 конструктивная сложность;
 потребность в дополнительных свойствах, (это высокая надежность, большой
срок службы, привлекательный внешний вид и др.);
 требования заказчика, которые могут быть сформулированы как закупка готового продукта или заказ нового специального изделия.
Так как постановка задачи никогда не бывает идеальной, то при выполнении каждого
заказа (конструктор, а далее производитель) должен придавать создаваемой системе дополнительные свойства.
Особую группу образуют постоянные требования, которые не устанавливаются в явной
форме, но подразумеваются практически всегда.
К таким требованиям относятся:
 максимально достижимый уровень эксплуатационных свойств (минимальные
габариты и масса);
 минимальное потребление горючего и энергии;
 доступность и заменяемость всех элементов, имеющих ограниченный срок
службы;
 оптимальная надежность;
 высокие эргономические показатели;
 простое и удобное обслуживание;– защита от вредных побочных выходов –
помех ( шум, вибрация, выхлопные газы, пыль и т. д.);
 минимальный вред окружающей среде; – максимальный учет всех особенностей
существующего производства;
 использование имеющегося оборудования и технологии; – наилучшие экономические показатели (минимальные издержки );
 минимальные эксплуатационные расходы и др.
Следует также подразделять требования по их значению. Их можно классифицировать
по трем категориям, среди которых есть жесткие и нежесткие. Первые требования, которые
обязательно должны быть выполнено, это рабочая функция и цена изделия. Вторые требования включают перечень, который в исключительных случаях не обязательно выполнять в заданном объеме. Третье – это пожелания, которые следует выполнять при благоприятных обстоятельствах.
Таким образом, исследовав свойство как категорию, можно сделать вывод, что свойства, определяющие каждый объект, относятся к его сути и занимают центральное место в
теории технических систем.
Свойства технической системы можно классифицировать с различных точек зрения,
однако важнейшими категориями свойства являются внешние (потребительские) и внутренние (конструктивные) свойства.
Как правило, внешние свойства зависят от внутренних конструктивных признаков и
конструктивных свойств изделия. Повышение уровня качества производства и эксплуатации
76
напрямую зависит от оптимального управления внутренними свойствами, определяющими
суть любой технической системы.
Конструктивные признаки. Среди важнейших признаков, обеспечивающих высокую
работоспособность объекта, важнейшими являются конструктивные признаки. Понятие
«конструктивный признак» представляет собой внутренний признак технической системы,
классифицирующий и характеризующий ее понятным для специалистов.
К конструктивным признакам относятся группы специальных и общих конструктивных
свойств. Понятие «конструктивный признак» применяется в научной литературе [42], но
трактуется авторами неоднозначно. Рассмотрим эти особенности.
Допустим, следует провести анализ следующего описания: «Это поршневая машина с
четырьмя цилиндрами в ряд, работающими в четырехтактном режиме, создающем определенную степень сжатия, с прямым впрыскиванием топлива и водяным охлаждением. В машине используются плавающие цапфы, уплотнительные прокладки между цилиндром и его
головкой, поршень с неразрезной юбкой и подшипники качения. Первое критическое число
оборотов вала выше рабочего числа оборотов» [42].
Все указанные в этом описании признаки характеризуют для специалиста данную машину в различных аспектах. Опираясь на них, он может судить не только о принципе действия или эксплуатационных свойствах, но и о своеобразии органоструктуры, конструкти вной схемы машины.
Этот пример указывает еще на один аспект рассмотрения конструктивных свойств и
признаков – их конкретное воплощение. При анализе этого описания возникает вопрос: существуют ли какие-нибудь другие возможности реализации этой технической системы, кроме поршневой машины, четырехтактного режима, заданной степени сжатия, прокладок и
подшипников? Очевидно, что в этом примере в качестве описания определенной технической системы указаны не конструктивные признаки, а их воплощение.
По своей сути конструктивный признак занимает место между внешними свойствами,
определяющими назначение технической системы, и элементарными конструктивными
свойствами.
Существуют систематизации некоторых общих конструктивных признаков на четырех
уровнях абстрактности [42]. Это система преобразований, функциональная структура, органоструктура и конструктивная схема [7]. Эти данные делают более ясным понятие конструктивного признака и указывают их место в системе разработки сущности объекта.
Конструктивные признаки могут находиться как в равноправных, так и в иерархических отношениях [11]. Иерархические отношения задаются, как правило, через определения.
Например, структура устанавливает совокупность элементов и их соподчиненность. При
этом подчиненные конструктивные признаки определяются через конструктивные признаки
более высокого порядка.
Так, функциональная структура содержит конструктивные признаки из области системы преобразований (технология, рабочие воздействия и участие технической системы в их
осуществлении) и устанавливает другие для органоструктуры, например формы входных
воздействий, функции преобразования и функциональные групп ы элементов.
Укажем, что для потребителя очень важной является величина эксплуатационных расходов, связанных с поддержанием работоспособности системы. Расходы обычно сопоставляют с достигнутой за этот период полезностью (экономический эффективностью). То есть
учитывают отношение (полезный эффект, соотнесенный с эксплуатационными расходами),
которое является экономической эффективностью объекта. Она представляет собой весомый
аргумент в общей оценке любой системы, в том числе ТС СТМ.
Исследуем важнейшее свойство строительной технологической машины, которым является качество изготовления изделия и качества системы её обслуживания.
Качество является экономической категорией и управляемым объектом, рассматриваемым с позиции теории систем. Укажем некоторые особенности, влияющие на качество изготовления изделия.
77
Большинство объектов строительных технологических машин изготовлено отечественной промышленностью. Важнейшей проблемой современной российской экономики является необходимость повысить роль качества в развитии отечественной промышленности. Надо
осмыслить это, систематизировать факторы, определить рациональные методы управления
структурой, осуществить их, снизить издержки, обеспечить выпуск продукции, соответств ующей мировому уровню качества и сформировать национальную систему управления качеством.
Укажем на некоторые особенности, присущие одному из направлений менеджмента
качества в области повышения работоспособности любой технической системы. Так, за рубежом качество связывают с всеобщим (тотальным) менеджментом качества, в том числе с
методологией товаров Total Quality Management (TQM). Она включает несколько версий,
определяющих часть концепции менеджмента качества и имеющих большое значение в
управлении современным производством [6].
По нашему мнению, все свойства, определяющие понятие качества продукции, можно
разделить на несколько групп, по своему содержанию формирующие свойства производимого изделия и связанные с экономическими (затратными) показателями изделия.
Современная отечественная (и мировая рыночная) экономика насчитывает несколько
основных показателей, определяющих конкурентоспособность продукции. Прежде всего, это
интегральные показатели уровня качества продукции и показатели, отражающие затраты на
достижение высокого качества.
В настоящее время уровень качества повсеместно выходит на ведущее место, так как
производительность труда, ресурсосбережения, охрана окружающей среды и другие факторы
удовлетворяют практически большинству требований, выдвигаемых потребителями и производителями. Качество продукции стало важнейшим показателем производителя, рост качества выпускаемой продукции стал критерием успешной деятельности организации и характерной тенденцией современного рынка.
Качество продукции есть совокупность разнофакторных свойств, взаи мосвязанных
набором определенных показателей. Существует классификация свойств, общепринятая в
технических оценках [12] объектов. Есть классификации, используемые в экономической литературе [8].
По нашему мнению, целесообразно иметь классификацию на базе 4–5 основополагающих наборов свойств [21]. К ним относятся следующие уровни. Технологический уровень качества продукции – это соответствие технического совершенства выпускаемой продукции
мировому уровню и стандартам, сюда входят показатели назначения, надежности, совершенства используемых технологий и др.
Затем утилитарные свойства, которые включают конкретные эксплуатационные, социальные, эстетические, эргономические, экологические и иные. Правовые показатели – это
патентно-правовые, информационные, международные, национального эгоизма и др.
Экономические, отражающие соотношения уровня качества и понесенных затрат, известные как показатель К ЭОК – экономически оптимальное качество. Под ним понимают соотношение качества и затрат, что в форме цены единицы качества можно выразить формулой
КЭОК=Q/З
,
(3.9)
где Q – качество продукции, З – затраты на приобретение и эксплуатацию (для потребителя) или производство и обслуживание (для производителя). Считается, что определить в
денежной форме затраты несложно, поскольку они включают цену производства–продажи
изделия, затраты на эксплуатацию–обслуживание и утилизацию изделия или его отходов.
Наиболее сложно оценить качество, включающее самые разнообразные показатели и
формирующее наше представление об уровне качества. Отметим, что в психологии потребителя и производителя существует некий интуитивный уровень экономически рационального
78
качества системы. Находясь в поиске оптимального компромисса между ценой изделия и качества, покупатель и производитель не всегда останавливаются на одинаковых уровнях
оценки. Это обусловлено как разными целями, так и разными подходами. Производитель
строительных технологических машин уже сегодня, покрывая понесенные затраты, вынужден учитывать предстоящие завтрашние расходы на переоснащение своего производства и
совершенствование создаваемого качества продукции. Потребители (строительные организации) предполагают, что данный уровень качества имеющихся машин, например скрепер
высок и он «продержится» еще длительное время, приемлемое для потребителя, вплоть до
морального старения техники.
Качество изделия, услуг или совокупного продукта в современной среде производитель–потребитель, является важнейшей, если не главенствующей составляющей эффекти вности, рентабельности и технического прогресса для производителя и фактором, приносящим удовлетворение, радость и уверенность потребителю, то есть качественному выполнению поставленных задач, следовательно, повышению обороноспособности страны.
Поэтому, говоря о качестве продукции ТС СТМ, следует иметь в виду сложные взаимосвязи между различными объектами, находящимися в среде, на которую воздействуют
внешние силы, включая условия жесткой эксплуатации, а в итоге состояние, которое постоянно изменяется.
Указанные признаки присущи большим техническим системам, которые функционируют по своим определенным законам. Следовательно, в понятии качество продукции (изделия, услуги) можно использовать терминологию ''качество системы'' или ''качество для системы'' (QS).
Отметим, что в смысловом значении это не одно и то же, что понимают под термином
или концепцией – ''система качества'' (Quality System), где подразумевают наличие системы
управления качеством выпускаемой продукции (строительной машины) и что относится к
области менеджмента качества.
Укажем основные, по нашему мнению, четыре основополагающих компонента свойств
системы качества [21], которые обозначим так:
технологические свойства – Zтхн ;
утилитарные – Zут ;
правовые – Zпн ;
экономический набор – Zэок .
Тогда совокупность свойств, определяющих качество системы (КС), можно рассматривать как множество вида
КС={ Zтхн, Zут, Zпн, Zэок }.
( 3.10 )
Все свойства КС можно разделить на жестко связанные со свойствами изделия, к которым отнесем собственно качество (с его характеристиками и параметрами) и связанные с
экономическими показателями производимого изделия.
Введем, что компоненты Zтхн, Zут, Zпн, Zэок есть Zi.
Примем, что критерий эффективности качества КСЭФК является количественным выражением цели функции КС и представляет собой некий функционал от свойств Zi, то есть
КСЭФК(I) = Ф(Zi).
(3.11 )
В системе качества продукции СТМ можно выделить критерии эффективности экономической направленности, количественные, такие как стоимость, трудоемкость производства
изделия и качественные критерии, отражающие «достоверность» и «точность». Это особенно
необходимо при проектировании системы качества, исходя из определяющей роли качества
системы QS.
79
Так, если за основной критерий эффективности КС выбрать стоимость изделия или
технологическую себестоимость, то несколько отойдут на второй план факторы, связанные
со свойствами Zтхн или Zпн.
Показатель критерия эффективности определяется при поиске таких наборов свойств
качества, которые обеспечат оптимальность системы. Если уделять при разработке изделия
основное внимание количественным показателям качества, то в дальнейшем могут возникнуть значительные экономические потери, связанные с необходимостью использования дорогостоящих средств производства, высококвалифицированного персонала.
Тенденции показателей стоимостной группы, таких как технологические утилитарные
группы, разнородны. Поэтому при поиске наилучших свойств системы можно использовать
частные показатели, содержащие ограничительные условия. К ним относятся существующие
средства и методы, гарантирующие достаточный уровень качества изделия при его производстве, возможность использования стандартного универсального оборудования.
Для получения более точной информации следует соотнести КСЭФК с показателем экономически оптимального качества КЭОК, вычисленного по формуле (3.9).
Их анализ позволит принять к руководству более обоснованный вариант, обеспечив ающий при производстве изделия и удовлетворяющий производителя набор свойств Zi, гарантирующих требуемое качество системы.
3.4. Объекты функционирования машин строительного комплекса
Жизнедеятельность людей предопределила рождение комплексного понятия, характеризующего эффективность всех сторон деятельности, – это ''качество''. И хотя в современной
литературе и практике существуют различные трактовки понятия ''качество'' примем его, как
и во всех развитых странах, качество таково, как оговорено стандартами ISO.
В настоящее время фактически установился единый, признанный в мире бизнеса подход к договорным условиям по оценке понятий качества и регламентации отношений между
потребителями и производителями.
Стандарты ISO серии 9000 и 14000 имеют строгую ориентацию на потребителя. Это
заставляет всех производителей соблюдать строгие законы функционирования производства,
гарантирующие создание продукции с требуемым набором свойств, то есть производство качественной продукции является основой деятельности.
Термины и определения, используемые в области управления качеством продукции,
следует брать в соответствии с международными и российскими стандартами. Базовыми являются стандарты класса ISO, начиная от версий 80–90–х годов прошлого века, с последующим развитием этих идей в стандартах серии 9000:2000 и кончая сегодняшней версией –
9000:2008. Общие требования к качеству продукта (товаров, услуг, работ) являются основанием так называемой пирамиды качества, занимающей важное место в системе рыночной
экономики.
Концептуальное видение качества как одной из фундаментальных категорий, определяющих образ жизни, социальную и экономическую основу для успешного развития челов ека и общества предполагает взаимосвязи всех сторон деятельности производителя.
Товаропроизводители вынуждены распространять понятие качества на свою деятельность (производственные и организационные сферы). Вместе с этим создается система
взглядов на участие в процессе создания машины всех работников предприятия. Это приводит к необходимости построения на предприятии – производителе специальной системы для
создания условий управления качеством. Ее называют по–разному, причем помимо общих
признаков каждая организация свое видение этой проблемы.
Общепризнанным является термин «система качества» или система управления качеством, под которой подразумевают совокупность организационной структуры предприятия –
производителя, систему распределения ответственности и полномочий, процедуры менедж80
мента, методы действий, использование ресурсов предприятия и технологий и других
средств, необходимых для установления стабильно высокого качества продукции.
Таким образом, от качества продукции (в нашем случае качества реализации строительных задач) простирается связь к качеству функционирования организации (например,
строительство или обслуживание дорог), результатом которой является самостоятельно созданное своими усилиями имя, имидж или качество работ строительной организации.
Высокого результата можно достичь, если организация в своей деятельности руководствуется, разработанной ей политикой в области качества, которая в современных условиях
является базовой основой всеобщей политики предприятия. В итоге имеем вышеуказанную
пирамиду качества, которая от основания до вершины сложена из взаимосвязанных подсистем: качество продукции – качество деятельности – качество работы подразделения– всеобщее качество в производственной среде.
Считается [21], что создание высококачественного изделия, совершенствование качества – это постоянно усложняющийся процесс, связанный как с внедрением прогрессивных
технологий, так и систем управления или процессом. Причем все это должно управляться
хорошо организованной системой с динамичной структурой, стратегией которой является
распространение управления качеством в жизненном цикле изделия
Современное общество испытывает острую необходимость в экономии и рациональном
использовании всех ресурсов: трудовых, материальных и энергетических. Для России эти
процессы обостряются и становятся еще более актуальными из–за сложного пути вхождения
ее в мировую рыночную экономику. В сложных условиях реорганизации производств и отраслей несколько поменялся стиль управления и использования техники. Появилась линия
рационального хозяйствования предприятия.
Прогрессивным является только такое подразделение, которое активно и динамично
реагирует на нестабильную экономическую среду, использует опыт управления качеством
продукции, накопленный в разных отраслях, и которое использует новые технологии обслуживания и учитывает возрастающие требования рыночной среды. Все это требует глубоких
технических и экономических знаний.
Одним из основных положений является принцип управления системой ''всеобщего качества''. Он означает, что все работники: от руководителей до вспомогательного персонала –
несут индивидуальную интеллектуальную и коллективную ответственность за обеспечение и
поддержание высоких стандартов качества в отношении изделий и производимых работ на
объектах.
Созданная продукция рассматривается как материализованный результат процесса трудовой деятельности, обладающий набором требуемых свойств и предназначенный для решения поставленных задач. Признаком продукции является качественная или количественная
характеристика всех её свойств или состояний.
Совокупность свойств, представленных определенным набором характеристик, удовлетворяющих заданным потребностям, является качеством продукции. При этом продукцией
может быть процесс или любой результат деятельности. Объект – все то, что может быть индивидуально описано (рассмотрено) и имеет определенные свойства.
Общепринято, что система управления качеством продукции включает следующие
функции [8]:
 стратегического, тактического и оперативного управления всех уровней качества;
 принятия решений, управляющих воздействий, анализа и учета, информационно
 поисковые и контрольные;
 управления подсистемами структуры предприятия, включая научно – техническое направление, производственные, экономические, социальные и другие факторы;
 адаптации и взаимосвязей, общих для всех стадий жизненного цикла продукции .
81
На ряде предприятий создана эффективная стратегия управления качеством выполнения поставленных задач (иной термин – выпуск продукции). Такая система качества в организации должна включать положения:
 качество ориентировано на решение поставленных задач;
 качество пронизывает весь жизненный цикл продукта;
 производство – маркетинг – эксплуатация;
 качество обеспечивается соответствующей структурой подразделения, пронизывающей всю организационную структуру организации;
 всеобъемлющее повышение качества достигается единством действий всего
персонала организации, на всех этапах ЖЦП с применением эффективных систем контроля качества.
Целенаправленная система процессов, создающих стабильные условия, обеспечивающие поддержание заданных характеристик в жизненном цикле изделия, в результате реализации которых в продукции закладываются при проектировании, формируются при создании
и поддерживаются при эксплуатации требуемые потребителям показатели – это есть обеспечение качества. Исследуем применение идеологии качества к современной среде.
Независимо от структуры и формы подчинения, а также вида выпускаемой продукции
или оказываемых услуг строительное подразделение является также открытой экономической системой, основной задачей которой является преобразование ресурсов в экономически
выгодную, высококачественную продукцию.
Качество созданной продукции – это своеобразный символ сегодняшнего имиджа каждого строительного подразделения, его основная линия в цепи рыночной экономики.
Номенклатура показателей качества во многом зависит от назначения продукции
(строится ли это дорога, жилой комплекс или промышленное здание). Она характеризуется
конкретными количественными характеристиками её наименованных свойств, с численными
значениями, определяющими в соответствии со стандартами оценку её качества.
Количественная характеристика одного или нескольких свойств продукции, составляющих её сущность, сформированную и рассматриваемую как совокупность нескольких подсистем (проектирования – условия создания – потребления – эксплуатации), во многом определяет показатель качества продукции.
Рассмотрим некоторые особенности взаимосвязей качества системы, обеспечение качества изделия, системы управления качеством.
Обеспечение качества продукции – это совокупность целенаправленно планируемых и
систематически проводимых мероприятий, создающих необходимые условия для выполн ения каждого из этапов ЖЦП, чтобы действия и продукция удовлетворяли требованиям к качеству и постоянно повышали функционирование системы управления.
В практике управления качеством выделяют несколько обобщенных основных этапов.
Во-первых, исходя их информационно–параметрической модели (ИПМ), необходимо осуществить принятие решений “что сейчас производить” и что для этого необходимо. Во-вторых,
проводится оценка состояния готовности производства и создаются системы управления,
включая организационную ответственность.
Третье, собственно процесс изготовления продукции или предоставление услуг. Четвертое, создание адаптивного обеспечения производственного процесса, позволяющего осуществлять бездефектный выпуск продукции высокого качества с использованием средств
автоматизированного контроля.
Пятое, разработка долговременных планов по совершенствованию системы управления
качеством.
Для осуществления указанных этапов необходимо взаимодействие всей структуры управления организации – от органов центрального управления до всех служб и каждого работника.
Такое взаимодействие отвечает требованиям единой системы качества управления системой.
82
На основе предлагаемого системного подхода к управлению качеством продукции на
предприятии, с позиции общепринятого понимания качества вышеуказанные этапы управления качеством имеют следующее содержание.
На первом этапе качество означает ту степень, в которой продукция соответствуют ее
стилю, условиям производства и особенностям работы объекта. Этот аспект качества часто
называют качеством соответствия техническим условиям.
На втором этапе оценивают качество проработки конструкции. Качество на этапе проектирования должно отвечать техническим требованиям машин или принятым стандартам на
конструкцию изделия, однако и сама конструкция не может быть достоверно оценена не
произведенная и не испытанная.
На третьем этапе качество означает ту степень, в которой произведенное изделие (каждое из ТС СТМ) или функционирование объекта (обслуживание инфраструктуры строительства объекта) удовлетворяет любым реальным потребности и приносят ожидаемые результаты и удовлетворение требованиям среды.
Изделия как каждое из средств СТМ могут соответствовать внутренним техническим
условиям (этап первый); сама конструкция может быть выдающейся (этап второй); изделие
или обслуживание объектов с его помощью могут не подходить для удовлетворения конкретных нужд тех или иных служб.
Рассмотренные этапы в практике управления качеством применения строительных машин одинаково важны, и малейшая недоработка в любом из них создает проблемы как заказчику, так и производителю техники.
Система управления качеством продукции (ЖЦИ техники, обслуживание и работы с её
применением) опирается на подсистемы, имеющие взаимосвязанные категории управления,
включая процессы, действия, функции, средства, принципы, виды, типы критериев и другие.
Таким образом, под системой управления качеством реализаций производственных задач с использованием строительных технологических машин и выполнение работ с её применением, например строительство сооружений или обслуживание дорог, принимают целенаправленную, планомерную адаптивную систему, представляющую собой единую структуру функционирования организации, осуществляющую воздействие по всем уровням на пр оцессы и факторы, обеспечивающие создание продукции оптимального качества с последующим полноценным ее использованием в совокупности различных условий применения.
Таковы некоторые особенности подсистем, обеспечивающих высокое качество выполнения
поставленных производственных задач и их взаимосвязи с жизненным циклом (продукции).
Укажем влияние показателей качества на механизмы функционирования, например типовой дорожной машины-автогрейдера.
Ось понятия качества составляет гармоничность свойств удовлетворять потребности у
всех разные, следовательно, их наборы могут быть сформированы так же по–разному. Это
определяет то, что производитель продукции в некотором смысле свободен в своих предложениях по совершенствованию системы, проявляющихся при создании всевозможных новых
комбинаций полезных свойств, определяющих назначение объекта.
Производитель может задействовать различные принципы, конструкции и технологии,
чтобы получить набор новых ранее неприсущих традиционному объекту свойств.
Однако нельзя достигать неконтролируемых, неограниченных условными рамками
наборов свойства продукции и услуг. Ибо желание насытить разными рабочими органами
(например, нетрадиционными навесными орудиями труда) может привести производителя к
нарушению дозволенных рубежей безопасности продукта, высокого воздействия психического и физического состояния рабочего (оператора).
В итоге у потребителей техники (в обществе) складывается признанный набор потребностей, который определят совокупность характеристик объекта.
В обществе формируются требования к качеству, которые стремится выполнить прои зводитель. Есть потребитель и производитель, которые с двух позиций стремятся – одни вы83
разить, что им требуется или хотелось бы иметь, а другие найти рентабельные пути, то это
будет реализовано в производстве.
Таким образом, все объекты функционирования машин строительного комплекса в общем представлении сводятся к совокупности требуемых свойств, которыми является качество продукции, которым следует уделять основное внимание управлению качеством продукции. В повышении работоспособности любой технической системы важное место занимает качество обслуживания машин.
3.5. Повышение работоспособности технологических машин
за счет высокого качества обслуживания
Необходимость поддержания высокого уровня работоспособности машин требует,
чтобы, по крайней мере, большая часть отказов и неисправностей была предупреждена до
наступления отказа, а работоспособность системы восстановлена, если изделие стало неисправным.
При этом требуются определенные знания и количественная характеристика закон омерностей изменения параметров технического состояния машин, её подсистем, агрегатов и
узлов. На основании этого строится планово–предупредительная система обслуживания и
ремонта строительных технологических машин. Все это в целом позволяет управлять работоспособностью и техническим состоянием машины в процессе эксплуатации.
На предупреждение отказов и восстановление утраченной способности объекта
направлена работа служб, реализующих сервисные процессы, которые проводят в рамках
двух большие группы работ – техническое обслуживание (ТО) и технический ремонт (ТР).
Таким образом, с одой стороны, имеем технологическую систему технического обслуживания машин, а с другой – систему управления сервисными услугами машин.
Соединить их в одно сложное в ряде случаев и не требуется, но взаимосвязи знать надо,
чтобы повысить работоспособность машины.
Задача ТО состоит, главным образом, в предупреждении возникновения отказов и н еисправностей, а ремонта – в их устранении (восстановлении работоспособности объекта).
Предупреждение отказов и неисправностей требует регламентации ТО, то есть регулярного по плану выполнения определенных операций ТО с установленной периодичностью
и трудоемкостью.
Накопленный в СССР и за рубежом опыт организации и проведения ТО и ремонт автомобилей, тягачей на гусеничном ходу, а также других транспортных машин позволил и в современное время иметь довольно–таки эффективную систему, которая состоит из комплекса
взаимосвязанных положений, и норм, и правил.
Основой построения системы ТО и ТР являются целенаправленность и системность
мероприятий и действий, а именно:
 создание условий рациональной эксплуатации ТС СТМ;
 формирование уровней надежности и качества обслуживания машин;
 учет организационно–технических ограничений;
 оптимальная техническая эксплуатация;
 внедрение средств автоматизации и компьютеризации обслуживания;
 наличие высокопрофессионального персонала.
Принято, что техническое обслуживание строительной технологической машины с любой автомобильной базой включает в себя порядка 10 основных видов работ (контрольные,
смазочные, диагностические, регулировочные, крепежные и другие) и более 250 конкретных
объектов обслуживания, подсистем, агрегатов, узлов, механизмов и деталей.
Большой перечень выполняемых при этом операций их периодичность и трудоемкость
составляют режим технического обслуживания конкретной машины. При этом исходят из
необходимости выполнения определенных норм, определяющих порядок проведения работ
по ТО и ТР с целью обеспечения заданных показателей качества функционирования машин в
84
процессе их эксплуатации. Кроме того, к службе ТО и ТР всех баз-автомобилей предъявляются следующие высокие требования [40]:
 обеспечение заданных уровней эксплуатационной надежности автомобильного парка
при рациональных материальных и трудовых затратах;
 планирование и организация ТО и ремонт на всех уровнях, начиная от личного транспорта, машин АТП, государственных органов и находящихся в эксплуатации;
 обязательность для всех структур, эксплуатирующих автомобильный транспорт, вне
зависимости от подчиненности;
 принятие решений руководством, доступных для всех звеньев инженерно–
технической службы с учетом разнообразия условий эксплуатации;
 стабильность основных принципов и гибкость конкретных нормативов, учитывающих
изменения условий эксплуатации, конструкции, качества и надежности строительных
и дорожных машин.
Основы организации и нормативы ТО и ТР определяются в РФ пакетом документов,
называемых «Положением о техническом обслуживании и ремонте подвижного состава автомобильного транспорта», но с некоторым дополнением.
На его основе разрабатываются ряд сопутствующих нормативно–технологических документов. Они включают в себя передовой опыт научных исследований в области технической эксплуатации автомобильной базы и опыт эксплуатации, а также работы и всей автомобильной промышленности страны по повышению работоспособности машин и качества их
обслуживания.
Существующая в России система технического обслуживания предусматривает следующие виды обслуживания:
ежедневное обслуживание (ЕО);
первое техническое обслуживание (ТО–1);
второе (ТО–2), третье ТО–3 и последующее техническое обслуживание,
сезонное обслуживание (СО).
Отдельно рассматриваются виды ремонта.
Указанные виды технического обслуживания отличаются между собой перечнем и трудоемкостью выполненных работ и периодичностью их проведения и группировкой проводимых операций. Так как каждый узел, механизм и соединение может иметь свою оптимальную периодичность ТО, то машина практически непрерывно должна была бы направляться
на техническое обслуживание каждого соединения, механизма, агрегата.
Однако это вызовет большое число заездов машин на ТО и увеличение времени простоев при обслуживании. Если добавить ремонтные работы, то возникнут большие сложности с организацией работ и дополнительные потери рабочего времени, особенно на подготовительно–заключительных операциях, что экономически нецелесообразно.
Поэтому, после выделения из всей совокупности технически необходимых воздействий, те, которые должны выполняться при ТО и ТР регламентируются определенной оптимальной периодичностью каждой операции, то есть производят группировку операций по
трудоемкости и периодичности, чтобы сформировать виды ТО.
Указанное дает возможность уменьшить потери времени проведения ТО.
При проведении ремонта исходят из следующих соображений: если есть потребности
восстановления, то это текущий ремонт (ТеР), если основываются на выработке ресурса автомобильной базы или рабочих органов, то проводят капитальный ремонт (КР).
Для оперативного учета происходящих изменений в период эксплуатации и совершенствовании конструкции машин в «Положении» предусматриваются две части.
Первая часть определяет систему и техническую политику по данным вопросам и содержит рекомендации по основам технического обслуживания и ремонта подвижного состава. В ней указаны виды ТО и ремонта и вся система повышения работоспособности машин.
85
Кроме того, приведены исходные нормативы, регламентирующие проведение этих работ. Дана классификация условий эксплуатации и методы корректирования нормативов,
принципы организации производства и проведения основных операций обслуживания и ремонта и другие информационно–правовые материалы.
В отличие от основополагающей первой части вторая часть содержит отдельные приложения, где есть конкретные нормативы обслуживания каждой базовой модели машины,
выпускаемой отечественной промышленностью, и ее модификациям. Эта часть обновляется
каждый раз с периодичностью не более пяти лет.
Укажем основные термины и определения по ТО машин, рекомендованные «Положением» к применению.
Работоспособным состоянием подвижного состава (ПС, в том числе базы строительной технологической машины) является такое, при котором значения всех параметров, характеризующих способность машины выполнять заданную работу, соответствуют требов аниям нормативно–технической документации (НТД).
Работоспособный подвижной состав, заправленный смазочными материалами и жидкостями, должен быть готовым к работе на объекте без дополнительного проведения каких–
либо подготовительных работ за исключением заправки топливом (и тепловой подготовки в
зимнее время).
Исправным состоянием (исправностью) подвижного состава является такое, при котором машина строительного комплекса соответствует всем требованиям нормативно–
технической документации. Если не выполняется хотя бы одно требование НТД, то машина
находится в неисправном состоянии, то есть она наделена неисправностью и не должна эксплуатироваться. Следовательно, машина с неисправными составными частями, состояние
которых не соответствует установленным требованиям безопасности или вызывает повышенный износ деталей, не должна продолжать функциональную работу на объекте.
Незначительные неисправности, не влияющие на работоспособность машины, могут
быть устранены после завершения заданной работы на объекте.
Если произошло событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния
машины, то оно называется отказом.
Требования безопасности к техническому состоянию подвижного состава и методы
проверки устанавливаются государственными стандартами, правилами дорожного движения
и другими нормативно–техническими документами.
Работоспособное состояние машины обеспечивается производственно–технической
или эксплуатационной службой. Она, наряду с другими подразделениями, несет ответственность за своевременное и качественное выполнение технического обслуживания и ремонта с
соблюдением установленных нормативов, за эффективную организацию труда персонала,
соблюдение норм НТД по техническому обслуживанию и ремонту.
Общая ответственность за обеспечение работоспособного состояния машин определяется согласно штатному расписанию, при этом координируются действия служб и подразделений. В первую очередь это производственно-технические и эксплуатационные, отвечающие за выпуск на линию машин, за соблюдение на линии правил технической эксплуатации,
соблюдение необходимых режимов погрузки, выгрузки и движения, обеспечивающих работоспособное состояние и сохранность подвижного состава.
Это также подразделения материально-технического снабжения – за обеспечение эксплуатационными материалами высокого качества и номенклатуры, запасными частями необходимого качества, за оснащенность части технологическим оборудованием, оснасткой, и нструментом и обеспечение их запасными частями.
Подразделения обеспечения и укомплектованности квалифицированными механиками
(операторами-водителями) и ремонтно-обслуживающим персоналом. Сюда же относятся
подразделения службы главного механика парка – за качественное содержание производственных помещений, оснащенность предприятия технологическим оборудованием, оснаст86
кой, инструментом и своевременное и качественное выполнение их технического обслуживания и ремонта, за техническое обеспечение хранения машин.
Есть также служба безопасности движения, отвечающая за соблюдение водителями
«Правил дорожного движения» и нормативно-технической документации по безопасности
движения». Всегда необходимо использовать подразделения технического контроля, обеспечивающие проведение контроля технического состояния ПС, технологического оборудования и оснастки, инструмента и ремонтного фонда, качественное выполнение технического
обслуживания и ремонта ПС и технологического оборудования ремонтного предприятия, отвечающих за качества получаемых запасных частей и расходных материалов, хранения ПС и
своевременный выпуск его на линию в работоспособном состоянии.
Свою роль выполняют планово–экономические и бухгалтерские подразделения, обеспечивающие планирование, качественную организацию учета, отчетности и финансирование
всех работ.
Таким образом, работоспособное состояние машины обеспечивается проведением технического обслуживания и ремонта и соблюдением других рекомендаций правил технической эксплуатации, выполнение которых возлагается на целую систему. Для этого имеется
совокупность средств, нормативно–технической документации и исполнителей.
Основным техническим воздействием, осуществляемым на предприятиях при эксплуатации машин строительного комплекса, являются планово–предупредительные работы технического обслуживания и ремонта.
Техническое обслуживание является профилактическим мероприятием, проводимым
принудительно в плановом порядке.
Техническое обслуживание является комплексом операций по поддержанию машин в
работоспособном состоянии и с надлежащим внешним видом. Оно направлено на повышение параметров технического состояния обслуживаемых объектов, предупреждению отказов
и неисправностей, а также на выявление отказов с целью своевременного их устранения, а в
итоге для обеспечения надежности функционирования систем и безопасности движения, защите окружающей среды и др.
Техническое обслуживание представляет собой совокупность работ определенного
назначения, каждая из которых, в свою очередь, состоит из операций, выполняемых в определенной технологической последовательности, составляющей в целом технологический
процесс. Под технологическим процессом ТО машины понимается определенная последовательность выполнения работ и операций, имеющих своей целью поддержание работоспособности автомобиля.
Операция – это комплекс последовательных действий по обслуживанию систем, агрегатов, узлов строительных и дорожных машин, например смена масла в картере двигателя,
регулировка сцепления и др.
Если при техническом обслуживании нельзя определить техническое состояние отдельных узлов, то их следует снимать с машины для контроля на специальных приборах или
стендах, это уже ремонт.
Ремонт выполняется как по потребности после появления соответствующего неисправного состояния, так и принудительно по плану, через определенный пробег или время работы машины.
Ремонтом является комплекс операций по восстановлению исправного или работоспособного состояния, ресурса и обеспечению безотказности работы машин и их составных частей. Планово–предупредительный характер системы технического обслуживания и ремонта
определяется плановым и принудительным (через установленные пробеги или промежутки
времени работы машины) выполнением контрольной части операций, предусмотренных действующим «Положением».
Основная цель ТО машины состоит в предупреждении и отдалении момента достижения его предельного состояния. Это обеспечивается сочетанием разных мероприятий, прежде всего предупреждением возникновения отказа путем контроля и доведения параметров
87
технического состояния, например, автомобилей до номинальных значений; предупрежден ием момента наступления отказа в результате уменьшения интенсивности изменения параметра технического состояния, снижения темпа изнашивания сопряженных деталей благодаря проведению смазочных, регулировочных, крепежных и других работ. Укажем назначение
работ по ТО.
Ежедневное обслуживания ЕО включает в себя общий контроль, направленный на каждодневное обеспечение безопасности движения; поддержание требуемого внешнего вида
машины; заправку его топливом, контроль состояния масла технологических жидкостей, санитарную обработку салонов или кузовов. Оно выполняется перед выездом на линию и после работы.
Назначением ТО–1 и ТО–2 является снижение интенсивности изменения параметров
технического состояния узлов машины, выявление и предупреждение отказов и неисправн остей путем своевременного выполнения контрольно–диагностических, смазочных, крепежных, регулировочных и других работ. Проводимые при этом диагностические работы являются технологическим элементом ТО и ремонта машины и дают информацию об его техн ическом состоянии и подтверждают или запрещают последующую эксплуатацию строительно-дорожных машин.
Общий процесс технического диагностирования включает в себя обеспечение функц ионирования объекта на заданных режимах или тестовое воздействие на объект. При этом
обеспечивается улавливание и преобразование с помощью датчиков сигналов, выражающих
значения диагностических параметров, их измерение. Затем путем сопоставления текущих
значений фиксируемых параметров с нормативными показателями осуществляют логическую обработку полученной информации и осуществляют постановку диагноза.
В зависимости от назначения, периодичности, перечня и места выполнения диагностические работы подразделяются на два вида: общую (Д–1) и углубленную – поэлементную
(Д–2) диагностику. В свою очередь, необходимость любого диагностирования машины строительного комплекса определяется закономерностями изменения его технического состояния
и затратами на поддержание работоспособности. В качестве отдельно планируемого вида
техническое обслуживание сезонное обслуживание (СО), проводится для машин, эксплуатирующихся в зоне холодного и жаркого климата.
Целью СО, проводимого два раза в год, является подготовка машин к эксплуатации при
изменении времени года (холодное и теплое). В любом случае СО целесообразно совмещать
с очередным ТО–2. При этом по сравнению с трудоемкостью чистого ТО–2 совмещенное
предполагает увеличение трудоемкости работ на 20 … 50 % [29]. В процессе регулярного ТО
параметры технического состояния поддерживаются в заданных пределах. Однако из–за
процессов изнашивания сопряженных деталей, поломок и других причин ресурс, заложенный при изготовлении машины, расходуется.
В итоге машина уже не может нормально эксплуатироваться, и, когда наступает такое
предельное его состояние, которое не может быть устранено профилактическими методами
ТО, машина требует восстановления утраченной работоспособности – ремонта. Ремонт
предназначен для восстановления и поддержания работоспособности механизмов и узлов
машин в целом, устранения неисправностей, возникающих при работе и выявленных при
ТО.
Ремонт выполняется при достижении эксплуатируемым изделием предельного состояния и включает контрольно–диагностические, разборочные, сборочные, регулировочные, слесарные, и другие виды работ.
Затраты на работы по ремонту являются более трудоемкими, их стоимость выше, чем
ТО, та как возникает необходимость в частичной или полной разборке агрегатов для замены
и восстановления деталей.
При ремонте допускается одновременная замена (комплектом) агрегатов, узлов и деталей, близких по рабочему ресурсу. Отработавшие и демонтированные узлы и детали направ88
ляются предприятием на специализированные ремонтные производства для восстановления
в качестве запасных частей и комплектования из них наборов и комплектов.
Под ремонтными комплектами понимаются работоспособные агрегаты, узлы и детали,
используемые для замены вышедших из строя и устранения неисправностей. Применение
ремонтных комплектов позволяет исключать дополнительные потери рабочего времени на
доводку его элементов и доставку недостающих деталей. ТР должен обеспечивать безотказную работу отремонтированных узлов на пробеге не меньшем, чем до очередного ТО–2.
Своевременное и качественное выполнение технического обслуживания в установленном
объеме обеспечивает высокую техническую готовность подвижного состава и снижает п отребность в ремонте.
Для сокращения времени простоя машин ремонт выполняется преимущественно агрегатным методом, при котором производится замена неисправных или требующих капитального ремонта узлов на исправные, взятые из оборотного фонда запасных частей. Существ ующей в нашей стране системой технического обслуживания и ремонта предусматриваются
две составные части операций ТО и ремонта: контрольная и исполнительская.
Определение технического состояния машин, их агрегатов и узлов без разборки прои зводится с помощью диагностирования, контролем, который является технологическим элементом технического обслуживания.
Цели контроля при ТО и ремонте отличительны друг то друга. Так, цель диагностирования при техническом обслуживании заключается в определении действительной потребн ости в выполнении операций и прогнозировании момента возникновения неисправного состояния сопоставлением фактических значений параметров контролируемого объекта с предельно допустимыми, а также в оценке качества выполнения работ.
Цель диагностирования (контроля) при проведении ремонта заключается в выявлении
неисправного состояния объекта, причин его возникновения и установления наиболее э ффективного способа устранения, включая ремонт детали или узла со снятием на месте, с частичной или полной разборкой.
Основные операции ТО проводятся с предварительным контролем. Базовым методом
выполнения контрольных работ является диагностика, которая предназначена для определения технического состояния агрегатов и узлов машин, их систем без разборки.
Все виды ТО строительных технологических машин проводятся в плановом порядке
после установленного пробега, а ремонтные работы, связанные с устранением возникших в
процессе эксплуатации отказов и неисправностей, – по потребности. Кроме непосредственно
работ технического обслуживания к ТО также относятся работы, проводимые для поддержания надлежащего внешнего вида и санитарного состояния машины: уборка, мойка и сушка.
В действующей системе ТО и ремонта для технического обслуживания регламентируются периодичность и трудоемкость. Также установлены специальные нормы и затраты по
видам ТО, а также удельные затраты (рубль на 1000 км пробега).
Средствами технического обслуживания и ремонта является производственно–
техническая база (здания, сооружения, технологическое оборудование), размещенная на специализированных предприятиях по техническому обслуживанию и ремонту машин строительного комплекса; материально–техническое обеспечение и производственный персонал.
Номенклатура профессий персонала, обеспечивающего исправное состояние машин, включает рабочих различных специальностей, техников и инженеров, руководителей.
Основополагающим нормативным документом, регламентирующим планирование, организацию и содержание ТО и ТР техники на автомобильной базе, определение ресурсов,
является «Положение о техническом обслуживании и ремонте подвижного состава автомобильного транспорта».
Нормативы ТО и ремонта, установленные «Положением», относятся к определенным
условиям эксплуатации, называемым эталонными. За эталонные условия принята работа базовых моделей автомобилей, имеющих пробег от начала эксплуатации в пределах 50–75 %
от нормы пробега до капитального ремонта в условиях эксплуатации первой (I) категории в
89
умеренном климатическом районе с умеренной агрессивностью окружающей среды. Это,
например, Центральный регион России.
Предусматривается, что ТО и текущий ремонт (ТР) выполняются на предприятии,
имеющем технологическую базу для серийного обслуживания автомобилей – баз, составляющих не более трех технологически совместимых групп.
За счет широкого внедрения диагностики, совершенствования качества выполняемых
работ, применения современных эксплуатационных материалов рекомендуемая периодичность ТО машин для I категории нормативы периодичности могут быть повышены.
При работе в северных или иных регионах, в отличных условиях эксплуатации, изменяются безотказность и долговечность машин, поэтому нормативы ТО и ремонта корректируются в сторону возрастания периодичности.
Современная тенденция повышения уровня контроля качества выполнения нормативных положений ТО и ремонту строительных технологических машин способствует повышению их работоспособности. Благодаря существующей системе сертификации производственно–технической базы (ПТБ), возможно обеспечение высокого уровня сервисного обслуживания и полноте услуг.
Перечень действующей нормативно–технической документации издается отдельным
документом Нормативно–техническая документация по техническому обслуживанию и ремонту машин включает совокупность принципов, определений, рекомендаций, нормативов и
методов их корректирования с учетом реальных условий эксплуатации.
Нормативы технического обслуживания и ремонта корректируются в сторону улучшения самими организациями и предприятиями в соответствии с указаниями раздела «Корректирование нормативов технического обслуживания и ремонта подвижного состава» Положения, но по согласованию с вышестоящими ведомственными организациями.
Нормативы технического обслуживания и ремонта конкретного семейства дорожных и
строительных машин (подвижного состава) уточняются по мере изменения его конструкции
и условий эксплуатации и приводятся в виде дополнения к «Положению» – во второй части.
Также во второй части «Положения» приводятся нормативы технического обслуживания и
ремонта конкретного семейства специализированного подвижного состава, существенно отличающегося по моделям от подвижного состава общетранспортного назначения, – это полноприводные автомобили, внедорожные автомобили – самосвалы и другие строительные и
дорожные технологические машины.
Такова роль видов технического обслуживания и ремонта в повышении работоспособности машин строительного комплекса.
Контрольные вопросы
1. Объясните понятие «жизненный цикл изделия».
2. Объясните понятие «технологическая наследственность объекта».
3. Какие этапы технологической наследственности присущи машине строительного
комплекса как технической системы?
4. Какие методы и приёмы используют при сравнении между собой технических систем?
5. Что входит в понятие «конструктивный признак»?
6. Что означает термин «система качества»?
7. Что понимают под системой управления качеством выполнения задач использованием строительных технологических машин?
8. Что надо, чтобы обеспечить работоспособное состояние машины?
9. Зачем нужна планово–предупредительная система технического обслуживания и ремонта машин строительного комплекса?
10. Назовите основные отличия обслуживания и ремонта машины.
11. Расскажите о назначении ЕО.
12. Какое назначение имеют ТО–1 и ТО–2?
90
13. Какое назначение имеют СО?
14. На какие виды подразделяются диагностические работы?
15. Когда выполняется и что он включает?
16. Расскажите о двух составных частях операций ТО и ремонта.
17. Какова основная цель диагностирования?
18. Что является средствами технического обслуживания и ремонта?
19. Зачем ввели эталонные условия работа и что это такое?
20. Для чего предназначен ремонт?
Глава 4. РАБОТОСПОСОБНОСТЬ МАШИН СТРОИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА
В ПЕРИОД ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
4.1. Общие положения и этапы эксплуатации системы машина строительного комплекса
Все системы, включая класс дорожных и строительных машины, как и технические
системы других классов, являются объектами эксплуатации. В нормативно-технической литературе эксплуатация определяется как «стадия жизненного цикла изделия, на которой
реализуется, поддерживается и восстанавливается его качество».
Под изделием понимают любой вид техники. В общем случае процесс эксплуатации
включает в себя использование изделия по назначению, транспортирование, хранение, техническое обслуживание и ремонт и др.
Для технической системы машина строительного комплекса (ТС МСК) важнейшим
является её работоспособность – это состояние изделия, при котором машина может выполнять свои функции в заданных условиях эксплуатации с допустимыми отклонениями от
установленных параметров
Как было рассмотрено выше, эксплуатация технического объекта «машина» это – стадия жизненного цикла изделия. Однако в общем виде эксплуатация включает в себя две составляющие: использование машин по назначению и техническую эксплуатацию.
Техническая эксплуатация включает в себя транспортирование, хранение, техническое обслуживание и ремонт машины.
Считается, что эксплуатация машин представляет совокупность нескольких этапов,
начиная с ввода в эксплуатацию, приведения в установленную степень готовности к исп ользованию по назначению, далее – поддержание в установленной степени готовности к этому
использованию и использованию по назначению, хранения и транспортирования.
Эксплуатация начинается с момента принятия ТС МСК эксплуатирующей организац ией от завода–изготовителя или ремонтного предприятия. В литературе известны схемы процесса эксплуатации машин. Уточненная авторами структура приведена на рис. 4.1.
Опишем некоторые этапы структуры подробней.
Начальный период эксплуатации. Это этап, определяющийся задачами по подготовке
изделия после производства (ремонта) к определенному состоянию или перевод машины из
консервации и поддержанием в этом состоянии ТС МСК в течение установленного срока.
Ввод в эксплуатацию – совокупность подготовительных работ по приемке изделия, поступившего после изготовления или ремонта в соответствии с установленными требованиями и закрепление изделия за владельцем.
В соответствии с международными стандартами использование по назначению – это
применение продукции (машины строительного комплекса) для целей, предусмотренных
техническими условиями и инструкциями, утвержденными поставщиком.
Применительно к строительным машинам, а также дорожным машинам, автомобилям
и тракторам, всему комплексу машин можно сказать: использование машин по назначению –
это эксплуатация, включающая в себя изучение и реализацию полезных свойств машины,
созданных при проектировании и производстве, с целью получения наибольшей ее эффек91
тивности и нейтрализации вредных факторов, возникающих при взаимодействии техногенных и природных систем.
Итак, использование по назначению – этап эксплуатации, в течение которого изделие
работает в соответствии с его функциональным назначением. Приведение в готовность, точнее приведение в установленную степень готовности к использованию по назначению, – этап
эксплуатации, включающий комплекс установленных в эксплуатационной документации работ по приведению изделия в работоспособное состояние.
При использовании машин по назначению необходимо соблюдать правила охраны
окружающей среды.
Система эксплуатации
Производство объекта
( изготовление машины)
Управление эксплуатацией
Планирование эксплуатацией
Организация эксплуатации и управление эксплуатацией
Начальный период эксплуатации
Совершенствование
Ввод в эксплуатацию
конструкции и подсистем
Организация эксплуатации
Использование по назначению
Приведение в готовность
Повышение эксплуатационной надежности
Поддержание в готовности
Управление и обслуживание
Материально- техническое обес печение
эксплуатации
Техническое обслуживание
и ремонт машин
Ведение документации
Ремонтные предприятия,
Обеспечивающие
капитальный ремонт
Снятие с эксплуатации
Утилизация машины
Рис. 4.1. Структура системы эксплуатации машин
92
Поддержание в готовности или поддержание в установленной степени готовности к
использованию по назначению – этап эксплуатации, в течение которого осуществляется комплекс установленных в эксплуатационной и ремонтной документации работ, направленных
на поддержание изделия в установленной степени готовности.
Так как эксплуатация изделий происходит в различных условиях, то это следует выделить отдельно. Условия эксплуатации – совокупность факторов, воздействующих на изделие
при его эксплуатации.
К условиям эксплуатации относятся: климатические и дорожные, квалификация обслуживающего персонала, обеспеченность материалами.
При этом на этапе эксплуатации возможны консервация изделия и хранение, при котором неиспользуемое в определенный период или по назначению изделие содержится в специально отведенном для его размещения месте в заданном состоянии, где обеспечивается его
сохраняемость в течение установленного времени.
Как этап эксплуатации считают транспортирование при эксплуатации, включающий
подготовку и перемещение изделия или перевозку с использованием транспортных или буксировочных средств при обеспечении комплектности, сохраняемости его технического состояния и работоспособности. Транспортирование – это перемещение машины в заданном
состоянии с применением при необходимости транспортных и грузоподъемных средств,
начинающееся с погрузки и кончающееся разгрузкой на месте назначения.
Техническое обслуживание и ремонты прерывают этапы эксплуатации изделий. От
степени совершенства мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту зависят
успех в выполнении задач обеспечения надежности изделий, а также издержки, связанные с
простоем машин.
Снятие с эксплуатации – прекращение эксплуатации изделия и оформление установленных
документов.
В сфере эксплуатации ТС МСК, как и для любых инженерных машин, автомобилей и
тракторов, используются следующие общепринятые термины.
Средства эксплуатации – здания, сооружения, технические устройства, инструмент,
запасные части и эксплуатационные материалы, необходимые для эксплуатаци и машины.
Система эксплуатации – совокупность машин, средств эксплуатации, исполнителей и
документации, устанавливающей правила и порядок их взаимодействия, необходимо и достаточной для выполнения поставленных задач.
Условия эксплуатации – совокупность факторов, действующих на машину при ее эксплуатации.
Предпродажная подготовка – целенаправленная деятельность юридических и (или)
физических лиц, выполняющих перечень обусловленных работ, обеспечивающих соответствие машины установленным требованиям и передачу ее покупателю в исправном (комплектном) состоянии.
Ввод в эксплуатацию – событие, фиксирующее готовность машины к использованию
по назначению и документально оформленное в установленном порядке. Для специальных
видов техники к вводу в эксплуатацию также относят подготовительные работы, контроль,
приемку и закрепление машины за эксплуатирующим подразделением.
Начало эксплуатации – момент ввода машины в эксплуатацию.
Ожидание использования по назначению – нахождение машины в состоянии готовности к использованию по назначению, предусмотренное в соответствующей нормативно–
технической документации.
Хранение при эксплуатации (хранение) – содержание неиспользуемой по назначению
машины в заданном состоянии в отведенном для ее размещения месте с обеспечением сохранности в течение заданного срока.
Технологическое обслуживание (не путать с техническим обслуживанием, рассматриваемым в гл. 2) – комплекс операций по подготовке машины к использованию по назначе93
нию, хранению, транспортированию и приведению ее в исходное состояние после этих процессов, не связанных с поддержанием надежности изделия.
Нормальная эксплуатация – эксплуатация машины в соответствии с действующей
нормативно–технической документацией.
Подконтрольная эксплуатация – эксплуатация с целью получения дополнительной
информации.
Лидерная эксплуатация – нормальная эксплуатация заданного числа машин, выделенных для более интенсивного расходования ресурса по сравнению с остальным парком.
Реальная эксплуатация – эксплуатация в сложившихся в эксплуатирующей организации условиях.
Снятие с эксплуатации – событие, фиксирующее невозможность или нецелесообразность дальнейшего использования по назначению или ремонта машины и документально
оформленное в установленном порядке.
Конец эксплуатации – момент снятия с эксплуатации.
Технический сервис – целенаправленная деятельность юридических и физических лиц,
не являющихся потребителями машин, по обеспечению эффективной и безопасной их эксплуатации. Это означает, что некая коммерческая структура, обладающая статусом фи зического или юридического лица и не являющаяся потребителем (владельцем) техники, может
на основании договора самостоятельно или совместно с ним проводить за определенную
плату предпродажную подготовку, транспортирование, хранение, техническое обслуживани е
и ремонт этой техники.
Фирменный метод технического обслуживания (фирменное обслуживание) – выполнение технического обслуживания машины предприятием–изготовителем.
Фирменный метод ремонта (фирменный ремонт) – выполнение ремонта машины
предприятием изготовителем.
4.2. Система эксплуатации и обеспечения надежности ТС МСК
Эффективность использования машин по назначению в значительной мере определяется их надежностью при эксплуатации, поэтому задачи обеспечения надежности занимают
особое место среди общих задач эксплуатации. Поэтому вначале рассмотрим задачи обеспечения надежности машин при их эксплуатации.
Считается, что основные задачи обеспечения надежности строительных и дорожных
машин следующие:
выявление неисправного состояния изделия и устранение дефектов;
выявление неработоспособного состояния изделия и восстановление его работосп особности до использования по назначению;
восстановление работоспособного состояния строительной машины на этапе использования её по назначению.
Указанные задачи решаются с помощью различных видов технического обслуживания
и ремонта ТС МСК. Для этого существует система технического обслуживания и ремонта.
Главной задачей которых являются постоянный контроль и поддержание технического состояния и надежности этих изделий на уровне, достаточном для осуществления ими заданных функций или готовности к применению и выполнений целевых задач.
Нормальное функционирование машин при эксплуатации обеспечивается специальными техническими средствами, системами и планомерной целенаправленной работой эксплуатационников. В целом, система эксплуатации – это совокупность взаимосвязанных изделий,
средств, исполнителей и документации, взаимодействие которых происходит в соответствии
с задачами каждого этапа эксплуатации этих изделий. При этом средствами эксплуатации
являются здания, сооружения, технические устройства, запасные части и материалы, предн азначенные для осуществления работ на изделиях на всех этапах эксплуатации.
94
Рассмотрим особенности системы эксплуатации машин. Вначале укажем на особенности организации в системе эксплуатации и управления эксплуатацией.
Организация эксплуатации – это упорядоченная структура взаимосвязанных органов,
средств и методов эксплуатации множества изделий, управление которой выражается в планировании организационно–технических мероприятий, их проведении и принятии новых
решений. На основании этого, организация эксплуатации может рассматриваться как система эксплуатации со своей структурой и деятельность по управлению этой системой [30].
Управление эксплуатацией включает общее стратегическое планирование и оперативное управление.
Общее планирование эксплуатации – процесс определения видов, объемов и сроков
выполняемых работ, а также показателей расхода ресурса. Планирование эксплуатации изделий осуществляется применительно к конкретным условиям и задачам, выполняемым этими
машинами.
Планы эксплуатации, независимо от конкретных условий и выполняемых задач, содержат значительное количество общих, повторяющихся в различных условиях мероприятий, направленных на обеспечение надежности изделий.
Эти мероприятия для совокупности изделий, представляющие сложную систему, составляют программу эксплуатации.
Под программой эксплуатации сложной системы понимают совокупность взаимосвязанных по месту, времени и содержанию процессов, обеспечивающих эксплуатацию ТС
МСК в заданной готовности, а также применение машин по назначению.
В плане эксплуатации сложной системы, какой является строительная технологическая
машина, помимо работ по техническому обслуживанию предусматривают учет различных
режимов работы, перестройку структуры систем при возникновении нарушений, организацию ремонтов, модернизацию и продление ресурса объекта.
Работам по техническому обслуживанию в программах эксплуатации отводится значительное место. Оптимизация программы эксплуатации заключается в обеспечении наилучшего применения системы по назначению при выполнении обслуживающим персоналом
фиксированного объема работ.
Оперативное управление – процесс принятия эксплуатационно–технических решений,
организация и контроль их выполнения. Эксплуатационно–техническое решение нельзя
отождествлять с планом, поскольку оно содержит лишь элементы.
Эксплуатационно-техническое решение – совокупность результатов исследований,
расчетов и логических сопоставлений, определяющая способ, объем, срок, место, исполнителей эксплуатационной работы в условиях ограничений по времени, материальным ресурсам
и изменения нормативных эксплуатационных ресурсов.
Управляющее воздействие на эксплуатируемое изделие должно осуществляться либо в
соответствии с программой эксплуатации, которую составляют заранее, исходя и з априорных сведений об изделии либо в виде позиционной стратегии, соответствующей управлению
состоянием изделия по принципу обратной связи.
Такую стратегию управления объектами эксплуатации называют эксплуатацией по состоянию.
Управление эксплуатацией предусматривает также обеспечение безопасности. Программа обеспечения безопасности – это организационно–технический документ, устанавливающий совокупность мероприятий и средств по обеспечению безопасности обслуживаемого объекта на все периоды эксплуатации и на всех участках функционирования. Для этого
предусмотрены защитные мероприятия по обеспечению надежности, то есть организационные и технические мероприятия, направленные на защиту ТС МСК в процессе эксплуатации
от последствий отказа.
Проведение технических обслуживаний и ремонтов на этапе использования машины
по назначению приводит к издержкам из-за вынужденных простоев. Поэтому управление
95
эксплуатацией предусматривает планово–предупредительное обслуживание, ремонты, проводимые заблаговременно.
Кроме того, часто управляющие воздействия осуществляют по отдельным подсистемам машины, то есть они осуществляются не сразу для всей ТС МСК, а для одной или группы подсистем, например проводится регулировка системы зажигания или сезонное обслуживание аккумулятора, чтобы не прерывать общего процесса функционирования всей системы.
Использование машин по назначению приводит к расходу заложенного при изготовлении ресурса. При этом в любой момент времени запасы ресурса характеризуют уровень
надежности машины.
Управление расходованием ресурса позволит влиять на уровень надежности машин.
Это влияние можно учесть при перспективном планировании эксплуатации машин. Планирование учитывает ряд противоречивых факторов. В связи с этим возникает задача оптимизации распределения расхода ресурса машин.
Наиболее удобно для организации эксплуатации машин планировать одинаковый и
равномерный расход их ресурса по годам, то есть для всего множества (1...N).
Хотя при этом к концу планируемого интервала времени эксплуатации (допустим, в осемь лет), ввиду интенсивного расхода ресурса каждой ТС МСК, на объекте можете сразу
выйти в ремонт большинство машин.
Поэтому годовой расход ресурса следует планировать на один или несколько типов
машин, иначе выход в ремонт может оказаться неравномерным.
Кроме того, эксплуатация машин усложняется из – за невозможности одновременно
использовать необходимое количество машин. Следует отметить, что для строительных технологических машин, назначаемых в ремонт по сроку службы, а не по израсходованному ресурсу, постановка такой задачи оптимизации не имеет смысла.
В этом случае для обеспечения неодновременного выхода машин в ремонт достаточно
иметь комплект с разными сроками ввода в эксплуатацию, а также продлевать сроки службы
путем оценки технического состояния. Исходя из целей перспективного планирования эксплуатации машин и противоречивых факторов общую задачу (с учетом одного, вида ремонта, например капитального) можно сформулировать так [23, 24]:
– распределить расход ресурса N однотипных машин за планируемый интервал времени Θ, причем таким образом, чтобы количество вышедших в капитальный ремонт машин
было минимальным при условии, что суммарный расход ресурса машин для выполнения задач подразделения или проведения планируемых мероприятий будет не меньше требуемого
значения, а количество машин Nк.р , вышедших в капитальный ремонт (обычно за год), не
превысит допустимого значения п*к.р .
Указанное [12] имеет форму записи:
Nк.р = Nк. min при
( Ri )
i 1
RТР , n КР
n
КР
,
(4.1)
где Ri — расход ресурса в часах, километрах пробега (циклах работы ) одной машины
за время эксплуатации (например, 8 лет).
Учтем, что причинами выхода машины в капитальный ремонт могут быть соответствующие отказы и повреждения или израсходование прогнозируемого остаточного ресурса.
При перспективном планировании эксплуатации машин можно учесть лишь последнюю причину, поэтому
di ( Ri ) , где di = 1, если Ri = Rэi и di = 0, если Ri < Rэi.
Nк.р =
(4.2)
i 1
Здесь di – запас ресурса i–й машины к началу планирования; RK.P – запас ресурса машины (до выхода в ремонт) к началу ее эксплуатации; Rэi – расход ресурса машины к началу
планирования.
96
Требуемый расход ресурса Rтр для проведения планируемых мероприятий может быть
ориентировочно определен так:
RТР = rср * Nср,
(4.3)
rср – среднегодовой потребный расход ресурса машины;
Nср – среднее количество машин, используемых в течение года.
Для определения необходимо найти вначале количество машин, выходящих в капитальный ремонт в каждом ј–м году (j = 1, 2, … 8).
Если Nј — число машин, находящихся в эксплуатации к началу i–го года, то можем записать:
j
dij( Rij) ,
nк.рј =
(4.4)
j 1
где diј = 1, если Riј = Rэi и diј = 0, если Riј < Rэi .
Здесь Riј – расход ресурса машины к концу j–го года в планируемом интервале эксплуатации.
Очевидно, что для определения необходимо распределить найденный в результате оптимизации расход ресурса по годам.
Рассчитанные значения позволяют проверить выполнимость условия.
Для этого с величиной следует сравнить рачение nK.P = max {nK.P}.
На основании рассмотренных выражений можно предложить следующий порядок расчетов для планирования расхода ресурса машин.
1. Определяют количество ТС МСК, планируемых для ТО и ТР.
2. По известным значениям находят требуемый расход ресурсов.
3. Если для всех i выполняется условие Rэi >> RТР/Nср, то можно планировать равномерный расход ресурса по всем машинам и годам (поскольку машины обладают большими
запасами ресурсов по сравнению с требуемым расходом).
4. Если п. 3 не выполняется, то определяется возможность использования одной или
нескольких машин для реализации всего требуемого объема заданных работ. Этот вариант
принимается, если по условиям эксплуатации удобно использовать только одну машину (несколько машин).
5. Если по п.п. 3, 4 задача не решается, то следует перейти к определению расхода ресурса машин в соответствии с алгоритмом оптимизации.
Общая методика оптимизации распределения расхода ресурсов по машинам такова
[14]. Допустим, что общая задача оптимизации перспективного планирования уже сформулирована. Ее можно решить в соответствии с выбранным алгоритмом оптимизации.
Выбор алгоритма основан на учете того, что функция NH.P {Ru R2 , ..., Rt, ..., RN) является
j в общем нелинейной, так как к началу планирования могут быть различные значения израсходованных ресурсов Roi, а, следовательно, и запасов ресурсов Rol.
Значит, с учетом показателей dt (Rt) не может линейно зависеть от Rt.
Из рассмотренных соотношений следует также, что данная задача оптимизации является дискретной, поэтому имеем
di ( Ri ) , при,
Nк.р = min
i 1
( Ri )
RТР , max( n КР )
i 1
n
КР
..( j
1,2,...., ) ,
j
где nк.рј =
dij( Rij) .
j 1
Для решения этой задачи может быть использован типовой алгоритм.
97
(4.5)
Сущность алгоритма оптимизации распределения расхода ресурса по машинам состоит
в последовательном суммировании значений R1 d1 (в двух рациональных вариантах) для первой машины с аналогичными значениями R2 , d2 и для второй машины.
Среди полученных вариантов суммарного расхода ресурса первой и второй машин
выделяется так называемая доминирующая последовательность. Значения членов доминирующей последовательности S1–2 , D1,.2 суммируются с R3 , d3 , и затем вновь определяется доминирующая последовательность S3 , D3 .
Процедура продолжается до тех пор, пока не будут найдены значения результирующей
доминирующей последовательности S 1– N– , D1–N.
Среди членов этой последовательности находят тот, который удовлетворяет условию
min {Sк1–N2 }≥ RТ Р.
Анализируя члены последовательностей соответствующие значениям, можно определить планируемый оптимальный расход ресурса каждой i–й машины и принадлежность ее к
машинам, выходящим в ремонт в интервале времени Θ.
Затем проверяется выполнение условия N к.р. /Θ ≤ n к.р .
Если это условие не выполняется, то следует уменьшить и вновь решить задачу оптимального распределения расхода ресурса по N машинам за время. Значение должно уменьшиться, в результате чего можно добиться выполнения условия.
После определения исходных данных для оптимизации в соответствии с алгоритмом
назначаются возможные варианты расхода ресурса каждого объекта, но целесообразно рассматривать два основных варианта:
1) полный расход запаса ресурса i–й машины (обозначим этот вариант расхода индексом (0);
2) частичный расход запаса ресурса i–й машины (обозначим этот вариант индексом (1);
этот расход назначается исходя из обеспечения Rэ.доп. (Θ) – допустимого запаса ресурса
машины, не вышедшей в ремонт после истечения срока перспективного планирования, Θ.
Тогда для первого варианта расхода ресурса i–й машины имеем:
Ri,0 = Rэi при d i,0 = 1,
(4.6)
так как расходуется весь запас ресурса и машина выходит в ремонт.
Для второго варианта расхода ресурса составит величину
Ri,1 = Rэi – Rэ. доп (Θ) , при di,1 = 0.
Допустимое значение запаса ресурса можно определять на основании соотношения:
Rэ.доп. (Θ) = RТР * Θ / (Nср Θ*).
(4.7)
Здесь RТР – средний годовой потребный расход ресурса одного объекта. Величину Θ*
задают, учитывая исходные данные запаса ресурса, возможности использования ТС МСК в
последующем цикле перспективного планирования.
Заметим, что в общем случае значению di,1 = 0 можно поставить в соответствие не одно значение Ri1 , а множество значений, где учитывается номер варианта расхода ресурса в
соответствии условием проведения ТО и ТР.
Такой подход позволяет более точно решить задачу и требует использования ПЭВМ.
Общая методика планирования расхода ресурса по годам такова.
Во–первых, можно распределить расход ресурса каждой машины по годам так, чтобы
выполнялось заданное условие. Надо также учесть, что выход части машин в ремонт должен
быть по возможности равномерным.
В связи с этим определяют число лет, на которые планируется выход используемых
строительных инженерных машин в ремонт. Это означает, что машины должны выходить в
ремонт через интервалы времени, не превышающие Т к.р. =Θ/ lк.р .
98
Поскольку целесообразно избегать назначения ремонтов только к концу интервала 8,
то при небольших значениях можно пользоваться формулой
Т К .Р
Т К .Р
1КР 1 или
( N КР / n к. р) 1
.
(4.8)
Тогда имеем Тк.р. = Θ/2 или Тк.р. = Θ /3.
Значение величин позволяет спланировать годы вывода машин в ремонт. Теперь для
каждого спланированного года можно определить машины, ему соответствующие. При этом
учтем, что потребный годовой расход ресурса всех машин rтр = Rтр/ . Следовательно,
расход ресурса одной i–й машины в первом году должен удовлетворять условию rij rтр.
В целях выполнения этого условия вначале требуется планировать выход в ремонт машин, имеющих наименьший расходуемый ресурс. Для этого целесообразно составить ряд
значений последовательности назначения соответствующих машин в ремонт по годам.
Так, если в первый рассматриваемый год выводится в ремонт заданное число машин,
то следует планировать к концу этого года выход машин, имеющих расходуемые ресурсы.
Аналогично для следующего рассматриваемого года назначаются в ремонт машины с расходуемыми ресурсами и т. д.
Если j – номер года, к концу которого i–я машина должна быть выведена в ремонт, то
значение rij (для 1–го, 2–го, ..., j–го) должно удовлетворять условию и определяться по формуле
riј = Ri / j.
(4.9)
Для машин, выход которых в ремонт не планируется в интервале времени 8лет (машины, не входящие в число Nк.p ), определение rij должно быть основано на учете общего суммарного расхода ресурса машин, выходящих в капитальный ремонт в j–году.
Тогда riј = kj Ri , где kj – коэффициент пропорциональности, учитывающий перечисленные выше показатели.
Коэффициент kj рассчитывается согласно соотношению
kj = Sj / S (θ),
(4.10)
где Sj — суммарный расход ресурса машин, не выходящих в капитальный ремонт в интервале времени, в течение j–го года;
S (θ) — суммарный расход ресурса этих машин за время θ.
С учетом этих показателей расчетные формулы имеют вид:
Si
rТР
S КРj , S ( )
RЕР
S КР ( ) .
(4.11)
В свою очередь:
N
N
i
S КРj
r , , S КР ( )
k 1
j
RК ,
(4.12)
k 1
где riј – годовой расход ресурса i–машины из числа машин, выходящих в ремонт в i–м
году;
к
R – расход ресурса k–й машины из числа машин выходящих в ремонт в интервале времени θ.
Тогда с учетом выражений соотношение примет вид
n КР
r ji
rТР
i
N кр
kj
RТР
.
RК
(4.13)
Правильность распределения расхода ресурса всех машин по годам можно проверить с
помощью формулы
К 1
99
N
rТР
rijij ( j 1,2,...., ) .
(4.14)
i 1
На основе описанного алгоритма можно составить перспективный план эксплуатации с
учетом возвращения машин из ремонта.
Так как изменение технического состояния машин обусловлено работой её узлов и механизмов, воздействием внешних условий, включая ежедневное хранение автомобиля, а
также многими случайными факторами, к которым относятся непредвиденные внешние
воздействие, военные действия, перегрузки конструкции, скрытые дефекты деталей машин,
то исследуем причины, по которым происходят изменения свойств элементом используемой
строительно-дорожной техники.
Эксплуатационные свойства машин. Рассмотрим подробней показатели качества
эксплуатации машин, то есть свойства, характеризующие качество эксплуатации машин.
Комплекс эксплуатационных свойств – это необходимое и достаточное для всесторонней оценки эффективности использования машины на стадии ее эксплуатации число
свойств и их показателей. Системный подход позволяет проводить анализ и синтез разли чных по природе и структуре эксплуатационных свойств машины, выявлять и оценивать степень влияния различных факторов на эффективность функционирования системы, например
отдельных видов строительных технологических машин, таких как дорожные машины, автомобили и трактора.
Установлено, что машины, оснащенные рабочими органами различных принципов
действия, конструктивного исполнения и применения, имеют различные комплексы эксплуатационных свойств (например, комплекс эксплуатационных свойств одноковшового экскав атора отличается от комплекса асфальтосмесительной установки). В каждом конкретном случае специалист, анализирующий эксплуатационные свойства машины, составляет соответствующий комплекс, используя методологию системного анализа.
Рассмотрим современный комплекс эксплуатационных свойств дорожных машин. Он
состоит [3] из пяти взаимосвязанных систем, обладающих прямыми и обратными связями,
что обуславливает его способность к саморегулированию, табл. 4.1.
Однако все машины ориентированы на человеческий фактор, поэтому следует учитывать и социально значимые показатели качества. Такое положение в настоящее время закреплено законами РФ «О защите прав потребителей» и «О сертификации продукции и
услуг». Например, при сертификации строительных технологических машин или строительного комплекса определяется соответствие показателей их безопасности, эргономичности и
экологичности нормативным требованиям.
В указанном комплексе отдельные эксплуатационные свойства характеризуются единичными показателями, которые объединяются в комплексные, групповые или обобщенные
показатели системы и непосредственно влияют на интегральный показатель эффективности
эксплуатации машины.
Таблица 4.1
Пример комплекса [3] эксплуатационных свойств дорожных машин
Первый
Социально
значимые
Показатели качества эксплуатации дорожных машин
Второй
Третий
Четвертый
Функционально- РесурсопотреблеСервиса
го
ния
назначения
100
Пятый
Эффективности
Налоговые и платёжные сборы
Скидки и льготы поставщика
Цена эксплуатации
Цена приобретения
Возможность и условия
Обеспеченность технической документацией
Гарантии изготовителя и уровень
развития сервисной сети
Надёжность
Потребность в запасных частях
Трудоёмкость
Материалоёмкость
Топливная эффективность
Информативность
Универсальность
Проходимость
Энергоэффективность
Техническая эстетичность
Экологичность
Эргономичность
Безопасность
Объединенные в первой системе социально значимые свойства машины оказывают
влияние на жизнь, здоровье, эстетические потребности граждан и служащих, сохранность их
имущества и окружающей среды. К ним относятся безопасность, эргономичность, экологи чность, эстетичность.
Вторая система, характеризующая функциональное назначение машины, объединяет
свойства, определяющие основные функции, которые обуславливают область ее применения.
Это энергоэффективность, проходимость, универсальность и информативность.
Третья система, характеризующая экономичность эксплуатации строительной машины, включает в себя показатели ресурсопотребления: топливную экономичность, эксплуатационную материалоемкость, трудоемкость выполнения работ по обслуживанию и потребность в запасных частях.
Четвертая система, определяющая новые показатели сервиса, характеризует степень
ответственности изготовителя перед потребителем машин. В нее входят показатели надежности, гарантии изготовителя и уровень развития сервисной сети, обеспеченность технической документацией, возможность и условия лизинга машин.
Пятая система включает в себя показатели эффективности применения машин, на которых базируется интегральный показатель качества, то есть цену приобретения, цену эксплуатации, скидки и льготы и т. д.
Приведенный комплекс эксплуатационных свойств машин может совершенствоваться
по мере развития учения о качестве продукции.
Безопасность машины – это эксплуатационное свойство, обеспечивающее устранение
или сведение к минимуму последствий аварийных ситуаций при транспортировке, осуществлении рабочих процессов и техническом воздействии на машину. При несоответствии
показателей этого свойства номинальным значениям или требованиям нормативных документов велика вероятность аварии, а, следовательно, угрозы здоровью и жизни обслуживающего персонала, а также порчи имущества или сведения эффективности работы машины к
нулю.
Оценка уровня безопасности машины представляет собой совокупность следующих
процедур: выбор номенклатуры необходимых показателей; определение их значений для
конкретной машины; сопоставление полученных результатов со значениями, рекомендуемыми нормативными документами; формирование соответствующих выводов.
Различают показатели активной и пассивной безопасности. Соблюдение требований,
предъявляемых к показателям активной безопасности, то есть эффективности тормозной
системы, органов управления, звуковой и световой сигнализации; состоянию гидро– и пневмосистем, систем доступа в кабину и к обслуживаемым сборочным единицам машин, необходимых цветовых знаков безопасности и сигнальной окраски, а также к устройствам и приборам, предотвращающим опрокидывание и столкновение, обеспечивает малую вероятность
возникновения аварийной ситуации.
101
Показатели же пассивной безопасности характеризуют наличие ремней и подушек
безопасности, остекление кабины (наличие безосколочных стекол) и ее жесткость, а также
эффективность защиты человека при опрокидывании машины и определяют возможность
устранения последствий аварийной ситуации. Выполнение требований обеспечения безопасности является важнейшим условием при обязательной сертификации строительной технологической машины.
Эргономические свойства определяют удобство и легкость управления машиной и
влияют на общее состояние и работоспособность машиниста–оператора или водителя. Показатели эргономических свойств подразделяются на физиологические, психологические, антропометрические и гигиенические.
Физиологические показатели характеризуют соответствие машины силовым, скоростным и энергетическим, зрительным и слуховым возможностям машиниста–оператора или
водителя.
Энергетические ресурсы организма человека расходуются на поддержание его физи ологической активности и производительную работу. На обеспечение физиологической активности, то есть на кровообращение, дыхание, поддержание тела в необходимом положении, восприятие внешнего мира, в среднем за сутки человек расходует 8400 кДж (при этом
медицинская норма в сутки составляет 2344,80 ккал или 9848,16 кДж).
В процессе работы также расходуется дополнительная энергия.
Работа считается легкой, если за смену на нее затрачивается до 2100 кДж, средней
трудности – до 4200 кДж, выше средней трудности – до 6300 кДж, тяжелой – до 8400 кДж,
особо тяжелой – до 10 500 кДж.
Перегрузка снижает производительность труда человека, повышает число ошибок в
процессе работы и предрасположенность к заболеваниям. Например, при увеличении часовых энергозатрат машиниста дорожной машины с 420 до 2100 кДж/ч примерно в четыре раза
снижается его производительность и в восемь раз увеличивается относительное число ошибок, производимых им.
Согласно единым требованиям к безопасности и эргономичности конструкции дорожных машин усилия на их рычагах не должны превышать 60 Н, на педалях – 120 Н, рулевом колесе – 115 Н.
Психологические показатели характеризуют соответствие рабочего места имеющимся
и вновь формируемым навыкам человека, а также возможность восприятия и переработки им
информации. При этом оценка рабочего места производится по трем основным направлен иям: размещение оператора; элементы, обеспечивающие получение необходимой для работы
информации (сенсорное поле); органы управления (моторное поле). Возможность воспри ятия информации оценивается обзорностью фронта работы машины. При этом различают п оказатели обзорности в горизонтальной и вертикальной плоскости.
Антропометрические показатели характеризуют соответствие органов управления,
формы и размеров рабочего места размерам и форме тела человека. Экспериментальные и сследования показывают, что, например, работоспособность машиниста не менее чем на 15 %
зависит от расположения органов управления.
Органы управления подразделяются на основные, то есть часто или постоянно используемые оператором (это органы управления машиной и рабочим оборудованием), и второстепенные, редко используемые оператором (переключатели освещения, стеклоочистителя, стартера, отопителя, кондиционера). Основные органы управления должны располагаться
в зоне комфорта, а второстепенные в зоне досягаемости.
Зоны комфорта – это предпочтительные зоны, в которых основные органы ручного и
ножного управления должны быть легко досягаемы для операторов высокого и низкого роста из положения сидя рукой, согнутой в локте, и ногой, согнутой в колене.
Зоны досягаемости – это зоны, в которых второстепенные органы ручного и ножного
управления должны быть досягаемы для операторов высокого и низкого роста из положения
102
сидя вытянутой рукой или ногой, при этом допустимы поворот или наклоны оператора вп еред и в стороны.
В современных машинах изменение положения рулевого колеса производится либо
регулированием оси его наклона (в автогрейдере ДЗ–122), либо с помощью телескопической
рулевой колонки (в автогрейдере ДЗ–98).
Гигиенические показатели характеризуют уровни шума, вибрации, освещенности,
температуры, влажности, запыленности, токсичности, то есть уровни вредных факторов,
воздействующих на организм человека.
Работающие дорожные машины являются источниками аэродинамического и структурного шумов. Аэродинамический шум создается системой газораспределения и охлаждения (вентилятором) двигателя, структурный шум возникает в результате колебаний рамы,
трансмиссии и облицовки.
На рабочем месте оператора для нормирования шума, измеряемого в децибелах (дБ),
используются уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 123; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 9000 Гц. Ориентировочную оценку шума
допускается производить по шкале, А шумомера (размерность – дБА). Предельный уровень
шума дорожных машин соответствует 85 дБА.
Вибрация, вызывающая механические колебания тела человека, может привести к
снижению его работоспособности и некоторым изменениям в организме, влияющим на здоровье. Например, колебания с частотой до 2 Гц могут вызвать морскую болезнь; наиболее же
опасны вибрации, соответствующие собственным колебаниям человеческого тела (4 – 8 Гц);
колебания с частотой 11– 45 Гц могут сопровождаться функциональными расстройствами
ряда внутренних органов человека.
Человеку общая вибрация от машины передается через пол кабины и сиденья, а локальная – через рычаги и педали управления. Допустимые среднеквадратичные значения
ускорений вертикальных вибраций в диапазоне частот 4 – 8 Гц следующие: 63 см/с2 – безопасно для здоровья; 31,5 см/с2 – не влияет на производительность труда; 10 см/с 2 – обеспечивает комфорт.
На работоспособность машиниста влияет также микроклимат в кабине, то есть температура, влажность, скорость движения воздуха, вредные примеси, запыленность. Допустимые значения этих величин в кабине дорожной машины регламентированы. Например, температура воздуха в кабине в теплый период года не должна более чем на 3 °С превышать
температуру наружного воздуха, а также должна быть не ниже +14 и не выше +28 °С при относительной влажности воздуха 40 – 60 % и не выше +26 °С при относительной влажности
воздуха 60 – 80 %.
Устройство для подачи воздуха в кабину должно обеспечивать движение воздуха на
уровне груди машиниста со скоростью не более 0,5 м/с при температуре в кабине +22 °С и со
скоростью не более 1,5 м/с при более высоких температурах. Температура поверхностей
внутри кабины (кроме стекол) должна быть не выше +35 °С.
Предельно допустимые концентрации (ПДК) примесей в воздухе рабочей зоны оператора следующие: пыли – 10 мг/м3 , углекислого газа – 20 мг/м3 , паров топлива – 100 мг/м3 .
Экологичность – это свойство, характеризующее уровень воздействия машины при ее
эксплуатации на окружающую среду.
К экологическим показателям относятся: создаваемый внешний шум; содержание оксида углерода и углеводородов в отработанных газах машин с бензиновыми двигателями;
дымность отработавших газов и выбросы вредных веществ дизельных машин; уровень создаваемых радиопомех. При выборе и определении этих показателей необходимо учитывать
требования по охране окружающей среды.
Техническая эстетичность – эксплуатационное свойство, характеризующее сочетание технических и художественных решений в конструкции машины с целью удовлетворения психологических и эстетических потребностей человека.
103
Эстетические показатели отображают информационную выразительность, рациональность формы, целостность композиции, совершенство производственного исполнения. В
настоящее время это наименее изученное эксплуатационное свойство, поскольку находится
на стыке науки и искусства. Предполагается, что влияние эстетичности на эффективность
работы машины осуществляется через повышение продуктивности работы машиниста–
оператора, а также через повышение конкурентоспособности самой машины.
Основными элементами технической эстетичности являются: стилевое соответствие
(соответствие моде); функционально–конструктивная приспособленность; организация объемно–пространственной структуры; чистота выполнения сочленений, скруглений, сопрягающихся поверхностей, фирменных знаков и указателей; цветовой колорит; качество покрытий и отделки поверхностей, а также симметричность, ритм, контрастность, пропорциональность и композиция.
Например, рациональной считают окраску, уменьшающую утомление глаз и сокращающую время их адаптации, а также исключающую появление отблесков солнечных лучей.
Энергоэффективность – это свойство машины, характеризующееся ее тяговоскоростными показателями. Тягово-скоростные показатели представляют собой совокупность параметров, определяемых результатами совместной работы двигателя, трансмиссии и
движителя, и характеризуют энергетические возможности, например, самоходной дорожной
машины по осуществлению рабочего процесса.
Тягово-скоростные показатели самоходных землеройно-транспортных машин включают в себя тяговое усилие на рабочем органе, рабочую скорость и коэффициент буксования.
В качестве комплексного тягово-скоростного показателя используется тяговая мощность,
развиваемая на рабочем органе.
Тягово-скоростные показатели определяют аналитически или в результате проведения тяговых испытаний. Результаты расчетов и испытаний представляют в виде графика, п олучившего название тяговой характеристики.
При помощи тяговой характеристики наряду с основными параметрами работы машины на разных передачах и при различных нагрузках можно определить тяговый коэффициент ее полезного действия, а также запас тягового усилия, характеризующий способность
машины преодолевать временное увеличение сопротивления без перехода на пониженную
передачу, и рациональные скоростные режимы ее работы (исходя из максимальной тяговой
мощности машины).
Проходимость, например, дорожной машины характеризуется показателями, отражающими ее способность перемещать центр масс с наименьшей потерей скорости, как в
процессе выполнения работы, так и при переезде с одного объекта на другой. Показатели
проходимости самоходных машин можно подразделить на геометрические (вертикальные и
горизонтальные), опорные, тягово-сцепные и мобильности (транспортабельности).
К показателям вертикальной геометрической проходимости относятся:
дорожный просвет, который определяется как расстояние от опорной поверхности до
низшей точки рамы или трансмиссии машины при нахождении ее рабочего органа в
транспортном положении;
углы переднего и заднего свеса, измеряемые между горизонтальной опорной поверхностью и касательными, проведенными к переднему или заднему колесу (ветвям гусениц) через низшие точки передней и задней частей рамы или навесных рабочих органов машины, установленных в транспортное положение;
поперечный радиус проходимости, то есть радиус окружности, проходящей через
низшую точку рамы или трансмиссии и касающейся внутренних поверхностей колес
(или гусениц) машины;
104
продольный радиус проходимости (для пневмоколесных самоходных дорожных машин), то есть радиус окружности, проходящей через низшую точку шасси или рабочего органа в транспортном положении и касающейся передних и задних колес.
Горизонтальная геометрическая проходимость машины характеризуется минимальным радиусом и шириной полосы поворота. Эти показатели можно выделить в отдельную
группу, определяющую маневренность машины, то есть способность поворота или разворота машины на ограниченной площади. Причем определение минимального радиуса и ширины полосы производится для левого и правого поворотов. Если передние колеса пневмоколесных машин имеют возможность наклоняться, то минимальный радиус поворота определяется при наклоне и без наклона колес.
Измерение радиуса поворота проводят по наружной стороне следа внешнего переднего колеса или гусеницы. Ширина полосы поворота пневмоколесных дорожных машин определяется как расстояние между наружными сторонами следов внешнего переднего и внутреннего заднего колес.
Показатель опорной проходимости характеризует среднее удельное давление машины на опорную поверхность.
Показатель тягово-сцепной проходимости характеризует плавность хода и определяется как отношение рабочей скорости машины в данном режиме работы к теоретической
скорости при движении ее по той же опорной поверхности.
Показатель мобильности, или транспортабельности, определяет подвижность машины, то есть ее способность и готовность к быстрому преодолению расстояния. (Для самоходных машин используется термин «мобильность», а для машин, перемещающихся с помощью прицепа–тяжеловоза, бортового автомобиля или тягача – транспортабельность.)
Универсальность – эксплуатационное свойство, характеризующее возможность использования машины с различным сменным оборудованием.
Универсальность позволяет использовать машину всесезонно на различных основных
и вспомогательных работах, тем самым увеличивая коэффициент ее использования в течение
года, и определяется временем замены и количеством сменного рабочего оборудования. При
этом предпочтительно наличие в машине автоматизированных сцепных устройств, позволяющих заменять рабочее оборудование без выхода оператора из кабины.
Информативность – эксплуатационное свойство, характеризующее возможность получения оператором информации о состоянии, режимах работы машины и предаварийных
ситуациях непосредственно в кабине машины.
Определяется это свойство наличием в машине средств встроенной диагностики с в ыводом информации на бортовые приборы, а также бортовых компьютеров, способных фи ксировать информацию, управлять машиной в рабочем режиме и выдавать информацию на
дисплей и в виде распечаток для проведения финансовых расчетов с оператором.
Топливная эффективность – эксплуатационное свойство, характеризующее способность дорожной машины выполнять рабочий процесс с минимальным расходом топлива в
единицу времени или на единицу вырабатываемой продукции. Показателями топливной э ффективности строительной и дорожной машины являются часовой расход топлива и удельные расходы топлива на единицу эффективной мощности двигателя или объема выработанной продукции.
Так как эксплуатация машин имеет своей целью реализацию, поддержание и восстановление качества, рассмотрим основные понятия качества и его взаимосвязь с эксплуатац ией техники. Рассмотрим некоторые свойства представленных систем качества.
105
4.3. Основные понятия качества эксплуатации
Необходимость производства качественной продукции подтверждается одним из основных постулатов рыночной экономики: «Бизнес рождается и живет своим качеством и
умирает, когда оно становится ненужным». Определим основные понятия качества.
Качество – совокупность свойств и характеристик продукции или услуги, которые
придают им способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности
потребителя в соответствии с назначением.
Свойство – объективная особенность продукции или услуги, которая закладывается
при ее создании (выполнении) или проявляется в процессе эксплуатации.
Показатели качества эксплуатации – количественная характеристика одного или нескольких свойств, определяющих качество процесса эксплуатации и его результаты.
Технико-экономическое понятие качества продукции или услуги охватывает только те
ее свойства, которые связаны с возможностью удовлетворения определенных общественных
или личных потребностей потребителя в соответствии с назначением.
Любая продукция имеет множество различных свойств, которые могут проявляться при
ее создании, эксплуатации или потреблении. Причем термин «эксплуатация» применяется к
такой продукции, которая в процессе использования расходует свой ресурс, а термин «потребление» – к продукции, которая при ее использовании по назначению расходуется сама.
Условно свойства продукции можно подразделить на простые и сложные. Например,
сложное свойство строительной технологической машины «проходимость» определяется такими относительно простыми свойствами и показателями, как вертикальная и горизонтальная геометрическая проходимость, маневренность, опорная и тягово-сцепная проходимость,
транспортабельность. Показатели качества количественно характеризуют пригодность продукции или услуги удовлетворять определенные потребности.
Номенклатура показателей качества зависит от назначения продукции или услуги и для
продукции или услуги многоцелевого назначения может быть очень разнообразной.
Рассмотрим классификацию показателей качества дорожных машин, автомобилей и
тракторов (табл. 4.2), полученную путем системного анализа и синтеза данных из различных
источников [12 – 15].
Итак, основные свойства качества известны из многолетнего опыта. Новыми здесь являются сервисные показатели, знание которых на современном этапе развития техники в
процессе ее эксплуатации крайне актуально.
Методы определения показателей качества следующие:
– измерительный, он основывается на использовании различных технических средств и
служит для определения единиц физических или химических величин, характеризующих качество, включая массы машины, скорости движения, концентрации вредных веществ, усилий
на рычагах;
регистрационный – основывается на наблюдениях и подсчете числа определяемых событий, предметов или затрат, например отказов изделий при испытаниях и эксплуатации;
расчетный – базируется на использовании существующих теоретических и (или) эмп ирических зависимостей между различными показателями качества и применяется для определения тех показателей, измерение которых другими методами приводит к значительным
затратам средств или опасно для здоровья и жизни испытателей, например для определения
показателей устойчивости грузоподъемных кранов, погрузчиков;
органолептический – основывается на восприятии информации органами чувств человека и анализе полученных ощущений на основе имеющегося опыта. При этом возможно и спользование технических средств, повышающих восприимчивость и разрешающую способ106
ность органов чувств человека, например лупы, микроскопа и др. Используется для определения качества лакокрасочных покрытий, наличия устройств, перечисленных в паспорте машины, работоспособности приборов и средств фиксации дверей, кабины и капотов, регулируемости кресел оператора;
экспертный – основывается на решениях, принимаемых экспертами в результате ан ализа, проводимого по определенной методике. Используется, например, при оценке показателей технической эстетичности или коэффициентов весомости различных показателей качества (то есть количественной характеристики значимости данного показателя качества отн осительно других показателей);
социологический – базируется на анализе мнений фактических или возможных покупателей машин и осуществляется посредством устного опроса, распространения анкет–
вопросников, а также путем проведения конференций, выставок. Наиболее часто применяется при оценке качества услуг.
Таблица 4.2
Классификации показателей, используемых при оценке качества техники различного назначения
Показатели, применяемые при оценке качества дорожных машин,
автомобилей и тракторов
По
По числу харакПо методам
По способу
По стадии
характеризуемым
теризуемых
определения
выражения
применения
свойствам
свойств
Назначение
Безопасность
Надежность
Эргономические
Экологические
Проходимость
Технологичность
Стандартизация и
унификация
Патентноправовые
Техническая эстетичность
Экономические
Сервисные
Измерительные
Регистрационные
Расчетные
Органолептические
Экспертные
Социологические
Единичные
Комплексные
Групповые
Обобщённые
Интегральные
В натуральных единицах
В баллах
В виде безразмерных коэффициентов
В стоимостных единицах
По
характеру
оценки
Прогнозируемые
Проектные
Производствен- Базовые
ные
относительЭксплуатацион- ные
ные
По числу характеризуемых свойств показатели качества подразделяют на следующие:
единичные, характеризующие одно свойство (например, рабочую скорость землеройной машины);
комплексные, определяющие несколько свойств (например, показатель тяговой мощности, характеризующий группу тягово-скоростных свойств);
групповые, относящиеся к определенной группе свойств (к эргономическим);
обобщенные, то есть групповые показатели с коэффициентами весомости, выбранные
для оценки конкретной машины;
107
интегральные, являющиеся отношением суммарного полезного эффекта от эксплуатации строительной машины к суммарным затратам на ее создание и эксплуатацию.
Показатели качества выражаются в натуральных единицах измерения и в единицах физических величин (Н, м/с, кВт и др.); баллах (например, при оценке показателей технической
эстетичности); безразмерными коэффициентами (при оценке показателей надежности) и стоимостными единицами (при оценке экономических показателей).
На разных этапах жизненного цикла машины доминируют различные показатели качества. На этапе выдачи технического задания в результате прогнозной оценки получают прогнозируемые показатели. На этапе проектирования главными являются показатели стандартизации, унификации и патентно-правовые. При производстве машины наиболее важен показатель технологичности, а в процессе эксплуатации – показатели назначения, безопасности, надежности, эргономичности, экологичности, проходимости, технической эстетичности,
экономические и сервисные.
Базовыми являются значения показателей, принятые за основу при сравнительной
оценке качества. Это могут быть значения показателей лучших зарубежных и отечественных
образцов, о качестве которых имеются достоверные данные, а также значения показателей
качества в некоторый предыдущий период времени или планируемые значения показателей
перспективных образцов, найденные экспериментально или теоретическими методами. В качестве базовых возможно применение показателей, заданных в государственных стандартах,
отраслевых стандартах, технических условиях и других нормативных документах.
Отношение значения показателя качества оцениваемой продукции к базовому является относительным показателем качества и выражается в безразмерных коэффициентах или
процентах.
На основе анализа этих показателей разрабатываются системы управления качеством.
В настоящее время в России управление качеством продукции машин и услуг базируется на
серии международных стандартов ИСО 9000 «Управление качеством продукции» и разработанных на их основе отечественных стандартах. Напомним базовые термины системы.
Управление качеством – это методы и деятельность оперативного характера, используемые для удовлетворения требований к качеству.
Система качества – совокупность организационной структуры, ответственности,
процедур, процессов и ресурсов, обеспечивающая осуществление общего руководства качеством продукции (услуг).
Обеспечение качества – совокупность планируемых и систематически проводимых
мероприятий, необходимых для создания уверенности в том, что продукция или услуга удовлетворяет определенные требования к качеству.
Программа качества – документ, регламентирующий конкретные меры в области качества, распределение ресурсов и последовательность действий, относящихся к конкретной
продукции, услуге, контракту или проекту.
В качестве примера укажем на созданные в дорожной отрасли гражданского строительства системы управления качеством и ресурсами дорожных организаций, которые осн овываются на разработках каждым предприятием регламентных нормативов – стандартов
предприятия (СТП).
Они обеспечивают организацию производства, взаимосвязь производственных процессов, а также соответствие установленных требований к технической оснастке и инстр ументу технологическим нормам и процессам, применяемым на данном предприятии.
В области механизации строительных работ типовые стандарты предприятия по эксплуатации машин разработаны Центральным научно–исследовательским институтом организации, механизации и технической помощи строительству (ЦНИИОМТП).
В его Рекомендациях по разработке и внедрению системы управления качеством эксплуатации строительных машин (УКЭСМ) предусматривается разработка комплекса СТП,
подразделяющихся на следующие группы:
108
основополагающий стандарт, определяющий основные (общие) положения, цели и
задачи системы, структуру и функции управления, их распределение между звеньями
организационной структуры, порядок взаимодействия подсистем и элементов, прин ятие управляющих решений;
стандарты по организации планирования качества эксплуатации и расчета экономической эффективности функционирования системы УКЭСМ;
стандарты по организации технологической подготовки производства, эксплуатации
машин и контроля качества эксплуатации, то есть материально–технического и метрологического обеспечения, подготовки и обучения кадров, информационного обеспечения, стимулирования персонала за повышение качества работы, а также правового обеспечения.
На современном этапе развития России, когда вопросы качества вводятся в ранг государственной политики, разработка систем управления качеством эксплуатации машин является крайне актуальной.
4.4. Изменение свойств деталей и состояния узлов машин
строительного комплекса в процессе их эксплуатации
Состояние объекта и основные причины изменения его технического состояния. Техническую систему представляют как некоторую упорядоченную структуру связанных между
собой и взаимодействующих элементов, обеспечивающих выполнение ей заданных функций.
Различают два класса изнашиваемых деталей: первый – детали, образующие пары трения, второй – детали, не образующие таких. Под парой трения понимают совокупность не
менее двух подвижно сопрягающихся поверхностей деталей технической системы выполняющих одну функцию в узле. Условия контакта определяются как свойствами контактируемых материалов, формой контактирующих поверхностей, вида относительного перемещения, так и свойствами окружающей средой, в том числе используемой смазкой.
К изнашиваемым деталям, не образующим пару трения, относятся детали, соприкасающиеся с рабочей средой, например башмаки гусениц, шины, зубья ковшей, била дробилок,
лопасти мешалок и т. п.
С другой стороны, связи и взаимодействия между контактируемыми парами или элементами, а также объектами и средой (например, дорогой и шиной, ковшом и грунтом) определяются не только их геометрическими размерами, механическими, электрическими, химическими, но и другими величинами, которые называют параметрами технического состояния или структурными параметрами строительной технологической машины. Это, например, размеры деталей, зазоры, расход топлива и другие.
Примем, что в процессе эксплуатации фактические параметры технического состояния
любой машины Х 1 Х 2 ,..., Х i,..., Х п , изменяются от номинальных значений Хн1 , Хн2 ,..., Х н i
..., Хн n до предельных Хn1 , Хп2 ,..., Хп i ..., Хпп , графически это можно показать, как на рис. 4.2.
Разность Xi = X i – Xн i , определяющая отклонение качества работы данного элемента от номинального, отражает уровень его исправности.
Совокупность отклонений от номинальных значений различных параметров состояния механизма определяет его техническое состояние.
109
Рис. 4.2. Изменение параметра технического состояния X механизма
в зависимости от времени τ его работы
В момент т каким–либо техническим воздействием (например, регулировкой) можно
улучшить техническое состояние механизма, если же продолжать эксплуатацию после момента п нарушается его работоспособность.
При этом может прекратиться рабочий процесс машины.
В процессе эксплуатации машина взаимодействует с окружающей средой, а ее элементы – между собой. В процессе этих взаимодействий происходят сложные физикохимические явления, которые обусловливают деформацию, износ, поломку, коррозию и другие повреждения машины.
Основные виды повреждений элементов строительной технологической машины.
Укажем некоторые особенности терминологии.
Классификация повреждений обычно производится в зависимости от внешнего вида
их проявлений. При этом различают процессы, вызывающие объемные и поверхностные п овреждения детали.
К объемным повреждениям относятся разрушения (хрупкое, вязкое, усталостное),
деформации (пластическая деформация, ползучесть, коробление), изменение свойств материала (механических, структуры, химического состава и др.), к поверхностным – разъедание
(коррозия, эрозия, прогар), налипание, износ, изменение свойств поверхностного слоя – шероховатости, твердости.
Деформации, трещины и поломки деталей машин возникают под действием механических нагрузок, а также внутренних напряжений.
Основными причинами деформации деталей являются недостаточная конструкционная прочность, плохое качество изготовления и ремонта, перегрузки при эксплуатации.
Разрушение (хрупкое или вязкое) материала детали происходит как в результате возникновения недопустимых статических и динамических нагрузок, так и при длительном действии переменных нагрузок, вызывающих усталость материала. Около 80 % всех разрушений деталей машин (несущих элементов, валов, сварных соединений и др.) носит усталостный характер, на что указывает характерный вид излома с двумя зонами: зоной развивающихся трещин и зоной, по которой произошел излом.
Одним из специфических поверхностных повреждений является налипание (нарост)
на поверхность детали посторонних частиц, происходящее в результате различных процессов молекулярного взаимодействия, а также проявления связей и сил химического и электрического происхождения. Нарост часто проявляется в виде загрязнений фильтров, внутренних стенок корпусов редукторов, трубопроводов, нагара на свечах двигателей, накипи в
полостях радиаторов.
Коррозия (разъедание) – это разрушение изделий под действием внешней активной
среды. Обычно коррозия подразделяется по видам производимых разрушений (общая и
местная), механизму реакции взаимодействия металла со средой (химическая и электрохи110
мическая), виду коррозионной среды (в газах, водных растворах, электролитах и др.) и геометрическому характеру разрушения (поверхностная и объемная).
Разрушение металлов и сплавов в атмосфере и средах влажных газов в результате
электрохимических процессов называется атмосферной коррозией. Причем преобладают в
этом случае процессы, происходящие в тонких слоях влаги, сконденсировавшейся на поверхности металла.
В определенных условиях эксплуатации могут возникать повреждения биологического характера, например от плесени, разъедающей обычно ткани и некоторые виды пластмасс.
Положения по изнашиванию деталей при трении.
Основной, постоянно действующей причиной изменения технического состояния механизмов машины является изнашивание деталей [16, 44].
Изнашивание – это процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и формы тела.
В общем виде под изнашиванием подразумевают процесс постепенного изменения
размеров и формы тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и в его остаточной деформации. Изнашивание может сопровождаться коррозией. В
свою очередь, износ является результатом изнашивания.
Наиболее часто износ характеризуется изменением размера детали в направлении,
перпендикулярном к поверхности трения – линейный износ ИЛ. Реже используются показатели изменения объема – объемный износ ИОБ или износ массы детали ИМ.
Основной характеристикой изнашивания является скорость – отношение значения износа к интервалу времени, в течение которого он возник, то есть износ является функцией
времени, в связи с чем одним из основных показателей износа является скорость изнашив ания Vn, которая определяется как отношение величины износа ко времени, в течение которого он возникает. Различают мгновенную (в определенный момент времени) и среднюю (за
определенный интервал времени) скорости изнашивания
Результат изнашивания, называемый износом, может выражаться в единицах длины,
объема, массы и др.
Другой характеристикой является интенсивность изнашивания – отношение значения
износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы. При этом единица объема выполненной работы определяется в каждом конкретном случае.
Отсюда появляется такая важная характеристика, как износостойкость материала детали. Под ней подразумевается свойство оказывать сопротивление изнашиванию при определенных условиях трения. Оценивается износостойкость величиной, обратной скорости и знашивания или интенсивности изнашивания.
Также используется безразмерный показатель относительной износостойкости εИ,
определяемый отношением износостойкости испытуемого материала и материала, принятого
за эталон, при их изнашивании в одинаковых условиях.
При трении и изнашивании происходят сложные явления и процессы, но основные из
них следующие:
скачкообразное движение при трении – явление чередования относительного
скольжения и относительного покоя или увеличения и уменьшения относительной скорости скольжения, возникающее самопроизвольно при трении
движения;
схватывание при трении – явление местного соединения двух твердых тел в результате действия молекулярных сил;
перенос материала – явление, при котором материал одного тела соединяется с
материалом другого и, отрываясь от первого, остается на поверхности второго;
111
заедание – процесс возникновения и развития повреждений детали вследствие
схватывания и переноса материала, который может завершиться прекращением
ее относительного движения;
задир – повреждение поверхности детали в виде широких и глубоких борозд,
образующихся в направлении скольжения;
выкрашивание – отделение частиц материала детали при усталостном изнашивании, приводящее к образованию ямок на ее поверхности.
Выделяют механическое, коррозионно-механическое изнашивания и изнашивание
при действии электрического тока.
Наиболее разрушительное действие на детали машин оказывает [43] такой вид механического изнашивания, как абразивное, т.е. изнашивание материала в результате режущего
или царапающего воздействия на него твердых частиц, находящихся в свободном состоянии
либо взвешенных в жидкости (гидроабразивное изнашивание) или газе (газоабразивное и знашивание). Этот вид изнашивания характерен для рабочих органов экскаваторов, бульдозеров, деталей гусениц тракторов, открытых зубчатых передач.
Для запорной и регулирующей аппаратуры трубопроводов, деталей гидротурбин, систем водяного охлаждения характерно эрозионное изнашивание, то есть механическое изнашивание материала в результате воздействия на него потока жидкости (гидроэрозионное изнашивание) или газа (газоэрозионное изнашивание).
Эрозионное изнашивание поверхности возможно также в результате воздействия разрядов электрического тока (электроэрозионное изнашивание). При высоких скоростях движения детали относительно жидкости может возникать кавитационное изнашивание, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное повышение
давления или температуры.
При невысокой прочности материала и высоких контактных напряжениях может
наблюдаться усталостное изнашивание детали, происходящее в результате усталостного разрушения ее поверхностного слоя, что характерно для зубчатых передач и подшипников качения.
Для некоторых деталей машин (например, шестерен зубчатых передач и подшипников скольжения узлов) при неудовлетворительном смазывании и больших удельных давлениях характерно изнашивание при заедании, происходящее в результате схватывания, глубинного вырывания материала и воздействия возникших при этом неровностей на сопр яженные поверхности.
При малых колебательных относительных перемещениях соприкасающихся тел
(например, элементов карданных шарниров) происходит так называемое изнашивание при
фреттинге.
Коррозионно-механическое изнашивание деталей в результате химического взаимодействия их материала с кислородом или окисляющей окружающей средой при длительном
трении сопряженных поверхностей называют окислительным изнашиванием, а при малых
колебательных относительных перемещениях – изнашиванием при фреттинг-коррозии.
Характерно оно для болтовых и заклепочных соединений, а также для посадочных
поверхностей подшипников качения.
Износ механизмов растет вместе с увеличением времени их работы. До известного
предела нарастание износа не влечет за собой качественных изменений в работе механизма и
может считаться естественным (нормальным), далее наступает аварийный износ его деталей.
На рис. 4.3 изображена кривая нарастания во времени износа пары работающих деталей, которая справедлива для большинства сопряжений, работающих в установившемся режиме.
Кривая имеет три явно выраженных участка:
I – начальный, характеризующий процесс приработки нового сопряжения;
II – участок, наибольший по протяженности и соответствующий периоду нормальной
работы сопряжения, то есть с естественным износом;
112
III – конечный, соответствующий периоду разрушения сопряжения вследствие износа
его сверх допустимого предела.
Рис. 4.3. Зависимость зазора U от наработки деталей т
(Un , Uн – соответственно предельное и начальное значения зазора)
Влияние физико-химических процессов и качества поверхностей деталей машин.
Поверхностный и приповерхностный слои детали обычно отличается от внутренней части ее материала, как по строению, так и по другим физическим свойствам. Это связано с
тем, что поверхностный слой в результате обработки приобретает комплекс характерных
свойств, объединяемых общим понятием качества поверхности.
Процесс изнашивания зависит от условий работы и качества поверхности детали. К
условиям работы относятся: виды трения, характеристики внешней среды, скоростной и
нагрузочный режим и др.
В то же время условия работы сопряженных пар трения во многом зависят от имеющегося качества поверхностей (формы, микрогеометрии и структуры материала), от
внешних воздействий, происходящих на соприкасающихся поверхностях в процессе
трения, от условий смазки и от характера износа.
Напомним, что под трением понимают сопротивление относительному перемещению,
возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения их поверхностей и действующее
по касательным к ним. Поэтому важно учитывать характеристику движения [26].
В теории различают следующие виды трения: скольжения, качения, качения с проскальзыванием [44].
По наличию смазки для пар трения различают:
трение без смазки, при котором на поверхностях трения отсутствуют смазочные материалы любого вида и происходит скачкообразное перемещение поверхностей;
граничное трение, при котором на поверхностях трения имеется слой жидкости, обладающий свойствами, отличающимися от объемных;
жидкостное трение, характеризуемое сопротивлением относительному перемещению,
возникающему между двумя телами, разделенными слоем жидкости, в котором проявляются
ее объемные свойства.
Внешняя среда в ряде случаев является основным фактором, определяющим механизм
разрушения поверхностного слоя.
В связи с этим различают газовую среду с абразивными частицами и без них, жидкостную среду с абразивными частицами и без них, технологическую среду (грунты, растворы,
породы, смеси и прочее).
Качество поверхностно-приповерхностных слоев определяется способами обработки
или иначе – технологиями получения деталей. Однако все способы обработки вызывают
различные отклонения от заданных норм.
При формировании любых поверхностей возникают следующие погрешности обработанной поверхности: макрогеометрические отклонения, волнистость, микрогеометрия
(шероховатость) и другие параметры. Исследуем их.
113
Механические свойства поверхностных слоев характеризуются показателями твердости. В процессе эксплуатации под воздействием многократно повторяющейся пластической
деформация, температуры и рабочих сред в зоне контакта происходят изменения механических свойств поверхностных слоев как более, так и менее благоприятные по сравнению с
исходными характеристиками.
В зависимости от толщины поверхностного слоя применяют микро– и макрометоды
определения твердости. После обработки поверхности тем или иным методом в ней сохраняются остаточные напряжения сжатия или растяжения.
Глубина распространения остаточных напряжений может составлять от 0,005 до 0,35 мм,
величина напряжений до 200...1500 МПа.
Макрогеометрические отклонения – это отклонения действительной формы поверхности детали от как бы идеальной, заданной конструктором.
Так, идеально цилиндрическая форма в действительности не может быть получена
даже современными методами. Оставаясь формой тела вращения, такая деталь приобретает коническую, бочкообразную или седлообразную форму, а иногда и вообще отклон яется от формы тела вращения.
Волнистостью поверхности называют совокупность более или менее регулярно чередующихся возвышенностей и впадин с большими шагами, волны в продольном и в п оперечном направлении, значительно превышающими ее высоту (волнистость в направлении главного движения при резании называется продольной, а в перпендикулярном
направлении – поперечной). Причинами волнистости могут явиться погрешности при
движении режущего инструмента или изделия при точении или шлифовании, дисбаланс
шлифовального круга и др.
Микрогеометрией – шероховатостью называют топологические неровности, образующие в совокупности рельеф поверхности детали. Эти неровности представляют собой
совокупность хаотичного (или закономерного) сочетания – выступы и впадины с относительно малым (микронным –около одного мкм и менее) расстоянием между ними образуются на поверхности детали в процессе обработки.
Важнейшими характеристиками поверхности являются высоты выступов и впадин
на базовой поверхности, параметры величины опорных поверхностей, отношение Hmax/r,
где Нmax – максимальная высота неровностей; r – средний радиус кривизны вершин неровностей. По ГОСТ Р установлено 14 классов значений шероховатости в зависимости
от размерной характеристики микронеровностей.
Исходная шероховатость всех деталей при их работе (контакте друг с другом) переходит в эксплуатационную. По истечению периода приработки происходит основная работа поверхности трения.
В процессе эксплуатации для перехода пары трения в установившуюся стадию износа требуется немалая приработка. Продолжительность приработки и объем изношенного материала тем меньше, чем ближе исходная шероховатость по величине и форме к
шероховатости после приработки [20, 44].
Чрезмерно гладкие поверхности, где нет масляных канавок, или чрезмерно неровные, с большой микрогеометрией по сравнению с оптимальной шероховатостью, отрицательно влияют на износостойкость детали.
Оптимальная шероховатость, необходимая поверхностям трения деталей при эксплуатации, служит основой длительной работоспособности для назначения чистоты
трущихся поверхностей при их изготовлении.
Помимо отклонения формы детали (от предусмотренной чертежом), на работу сопряженных деталей сильно влияет отклонение относительного расположения их осей.
Так, в кривошипно-шатунном механизме наблюдается неперпендикулярность осей цилиндров базовой плоскости, перекос и скрещивание осей коленчатого вала и осей головок шатуна и другие первичные ошибки при изготовлении деталей.
Кроме отклонений, связанных с неточностями физико-механической обработки,
114
следует учитывать отклонения, вызываемые технологической наследственностью и технологией сборки. Например, это погрешности неравномерной затяжки резьбовых соединений или выборки зазоров при сборке. Это коробление базисных литых и сварных дет алей и другие факторы. Допустимая величина как макро- и микрогеометрических отклонений, так и перечисленных выше погрешностей изготовления трущихся поверхностей
зависит от способности сопряженных деталей прирабатываться и условий эксплуатации,
то есть всего того, что сказывается на эксплуатационных показателях.
Так, одни лишь недопустимо большие макрогеометрические отклонения в кривошипно-шатунном механизме двигателя могут привести к задиру поршней и цилиндров и
последующим ухудшениям эксплуатационных характеристик машины.
При совместном действии нормальных и тангенциальных сил, как уже отмечалось,
образуются пятна касания, которые существуют некоторое время, а затем меняют свои места. Эти пятна касания называют фрикционными связями. Разрушение поверхностей при
трении происходит из-за нарушения фрикционных связей.
Отметим еще некоторые особенности и процессы, происходящие при соприкосновении двух твердых тел под нагрузкой.
Поверхностный слой материала (металла) обладает большой активностью, что объясняется рядом следующих факторов. Во-первых, это внутренние процессы твердого тела, где каждый атом окружен другими атомами и их взаимодействие уравновешено по
всем направлениям силами взаимного притяжения.
Атомы, расположенные в поверхностно-приповерхностных слоях, на поверхности
твердого тела (с внешней стороны), не имеют других связей в виде подобных или таких же
атомов. Из-за наличия свободных связей у них есть силы поверхностного притяжения.
В результате этого атомы, расположенные на поверхности, придают ей особые активные свойства. Поэтому только что обработанные металлические поверхности очень
быстро покрываются первичной оксидной пленкой. Внешняя поверхность твердого тела
как бы «покрывается» тончайшей пленкой из нескольких слоев атомов или молекул веществ, содержащихся у поверхности, в окружающей среде, включая газовые компоненты.
Явление образования на поверхности твердого тела тончайших пленок называется химической адсорбцией.
Всё – шероховатость и волнистость, неточности изготовления деталей, искажения их
формы, например вследствие коробления под действием остаточных напряжений, а также
вследствие неравномерных внешних нагрузок и температурных перепадов – приводит к
тому, что любые поверхности всегда контактируют на отдельных малых площадках, где
указанные явления сконцентрированы в большей степени.
Из-за топологии и волнистости эти площадки расположены в определенных обл астях деталей, поэтому большинство контактных процессов прогнозируемо.
Количество контактных площадок на деталях зависит от топологии, шероховатости
поверхностей, от нагрузки, условий, связанных со средой (наличие смазки, газов и т.п.).
Обычно давление на площадках распределяется неравномерно и во многом зависит от их
конфигурации соприкасаемых поверхностей [16, 38].
С увеличением давления от действия сжимающей внешней нагрузки две контактируемые поверхности по мере их сближения соприкасаются по все большим поверхностям,
возрастает количество локальных микрозон.
В итоге фактическая площадь неподвижного (подвижного) контакта характеризуется
числом пятен, приходящихся на единицу площади. Пример – это пятно контакта зубьев зубчатого зацепления.
При расчетах различают номинальную площадь контакта Ас, определяемую геометрическими размерами деталей, и фактическую площадь контакта Аr, представляющую собой
сумму фактических площадок контакта двух тел.
Процессы контактирования поверхностей при динамическом и статическом нагружениях несколько отличны друг от друга.
115
Рассмотрим контакт не перемещающихся относительно друг друга поверхностей.
Пусть имеем контакт шероховатых поверхностей двух сопряженных тел. При соп рикосновении первыми на сопряженных поверхностях в контакт вступают микровыступы, противостоящие один другому, то есть там, где высоты микронеровностей наибольшие.
Деформация зон этих неровностей материала деталей вызывает сближение поверхностей. Известны следующие виды деформации выступов: упругая, упругопластическая и
упругопластическая с упрочнением.
По мере повышения нагрузки на тела увеличивается сближение их поверхностей и в
контакт вступают следующие пары – выступов с убывающей суммой высот. Разновременность вхождения в контакт выступов, отличающихся по высоте, обусловливает различн ую
степени их напряженности и деформации. Чисто упругая деформация во всех точках контакта шероховатостей возможна только при соприкосновении эластичных тел, например
поверхностей из резины.
Упругая деформация возникает также при контактировании весьма гладких твердых
металлических поверхностей. Обычно при первичном нагружении в большинстве точек
наблюдается пластическая деформация.
Пластические деформации и разрушение деталей машин связаны с достижением или
превышением пределов текучести или прочности соответственно у пластичных (сталь) или
хрупких (чугун) материалов деталей.
Данные повреждения обычно являются следствием нарушения правил эксплуатации
автомобиля (перегрузкой, неправильным управлением, а также состоянием объектов особой
системы водитель – машина – дорога – среда (ВАДС) и дорожно-транспортным происшествием).
Иногда пластическим деформациям деталей предшествует их изнашивание, приводящее к изменению геометрических размеров и снижению запаса прочности детали. В этом
случае выступы пластически разрушаются, они сплющиваются.
Из-за неоднородности структур взаимодействующих материалов, в ряде случаев более
твердый выступ или выступ с большой жесткостью, обусловленной, например, его какой–
то геометрической формой, внедряется в соприкасающийся с ним выступ контактирующей поверхности, разрушая его.
Поэтому после однократного нагружения, выступы поверхностей наклёпываются, а
при повторных нагрузках, даже не превышающих первоначальную, микроповерхности
упруго деформируются.
Взаимодействие поверхностей приводит к образованию пятен контакта. При сопряжении двух поверхностей из различных материалов фактическая площадь контакта определяется физико-механическими свойствами более мягкого материала и геометрией поверхности более твердого материала.
При соприкосновении под нагрузкой контактируемых поверхностей, даже гладкие п оверхности, изменяют свою топологию, они как бы приобретают новую шероховатость. В
любом случае при снятии нагрузки, возникшие от неё волны по поверхности несколько
«выпрямляются» и образовавшиеся пятна касания изменяются – уменьшаются.
В итоге фактическая площадь контакта составляет 0,0001– 0,1 размера номинальной
площади контакта. Считается, что даже при больших нагрузках она не превышает 30 %
номинальной.
При взаимодействии, включая скольжение одной поверхности по другой, образуются
пятна, сохраняющиеся в течение некоторого времени, а затем возникают новые пятна. В
местах контакта пятен возникают зоны с относительно высокой температурой.
Установлено, что на участках соприкосновения деталей при трении наблюдаются
сложные явления: это разрушение поверхностей, контактное взаимодействие, видоизменение соприкасающихся поверхностей в процессе трения. Вследствие значительных деформаций, развивающихся в тонком поверхностном слое, изменяются соприкасающиеся поверхности, что приводит к их нагреву. При относительном движении соприкасающихся тел воз116
можно разрушение поверхностей.
Под действием сдвигающей силы внедрившаяся неровность начинает двигаться, при
этом ее задняя часть выходит из контакта и освобождается от нагрузки, а нагрузка на переднюю часть поверхности соответственно возрастает. Известно о существовании следующих
видов трения: сухое, граничное, полусухое и жидкостное, но фактически это два вида: сухое
и жидкостное трение.
Сухое трение возникает при отсутствии смазки и загрязнений между трущимися поверхностями. Обычно сухое трение сопровождается скачкообразным перемещением поверхностей.
При сухом трении трущиеся поверхности деталей взаимодействуют непосредственно
друг с другом (например, трение тормозных колодок о тормозные барабаны или диски или
трение ведомого диска сцепления о маховик). Этот вид трения сопровождается повышенным износом трущихся поверхностей деталей.
Граничное трение наблюдается в том случае, когда поверхности трущихся тел разделены слоем смазки весьма малой толщины (от 0,1 мкм до толщины одной молекулы). Такой слой называют граничным. Наличие его снижает силы трения в 2–10 раз по сравнению
с сухим трением и уменьшает износ сопряженных поверхностей в сотни раз.
В нормальном направлении пленка обладает высоким сопротивлением сжатию; ее несущая способность исчисляется сотнями мегапаскалей (МПа), и обычно деформация сжатия пленки находится в пределах упругости.
В тангенциальном направлении молекулярные слои смазки легко деформируются и
при толщине слоя выше некоторой критической величины скользят один по другому.
Вязкость смазки не влияет на процесс граничного трения. При заданном сочетании трущихся материалов действие смазки характеризуется ее маслянистостью, которая определяет прочность масляной пленки.
Полусухое трение – это смешанное трение, когда на номинальной площади контакта тел
трение местами граничное, а на остальной части детали – сухое.
Жидкостное трение поверхностей характеризуется тем, что трущиеся детали полностью разделены слоем смазки (толстым, тонким), в которой вследствие относительного
движения деталей и определенной формы зазора возникает давление, уравновешивающее
возникающую внешнюю нагрузку.
Слои смазки, находящиеся от поверхности на расстоянии свыше долей микрометров
(порядка 0,5 мкм), имеют возможность свободно перемещаться один относительно другого.
При жидкостном трении скольжении слоев смазки относительно друг друга невелико.
Сопротивление движению складывается из сопротивлений слоев в толщине смазочн ого слоя и зависит от вязкости смазочной жидкости. Этот режим трения характеризуется
малым коэффициентом трения и является оптимальным для узла трения с позиции повышения износостойкости.
При жидкостном (или гидродинамическом) трении между трущимися поверхностями
деталей создается масляный слой, превышающий микронеровности их поверхностей и не
допускающий их непосредственного контакта (например, подшипники коленчатого вала в
период установившегося режима работы), что резко сокращает износ деталей.
При работе большинства механизмов автомобиля вышеуказанные основные виды трения постоянно чередуются и переходят из одного вида в другой, образуя промежуточные
виды и вызывая разные условия для контактных процессов.
Трение имеет двойственную, молекулярно-механическую природу. Как уже указывалось, на поверхности тела имеются силы притяжения, которые на фактических площадях контакта может взаимодействовать с силами притяжения на поверхности другого тела. При этом поверхности как бы прилипают одна к другой.
Это явление называют адгезией. Силы адгезии прямо пропорциональны фактической
площади контакта. Итак, сила трения, обусловленная двумя факторами – механическим и
молекулярным взаимодействием, определяется следующей формулой:
117
Т = аА r + bN 1 ,
(4.15)
где а – средняя интенсивность молекулярной составляющей силы трения; Ar – фактическая площадь контакта; b – коэффициент, характеризующий механическую составляющую силы трения; N1 – нормальное давление. Коэффициент трения равен
T
A
(4.16)
f
a r b.
N1
N1
Приведенные выше выражения для силы трения Т и коэффициента трения f справедливы также для граничного и полусухого трения.
4.5. Процесс изнашивания как основной фактор потери работоспособности
деталей и узлов ТС МСК
Основными постоянно действующими причинами изменения технического состояния
строительных технологических машин при их эксплуатации являются изнашивание, пластические деформации, усталостные разрушения, коррозия, а также физико-химические изменения материала деталей и старение. Срок службы многих деталей строительных машин
определяется их износом, поэтому для повышения долговечности машин необходимо
обеспечить высокую износостойкость её деталей.
Повышенные износы нарушают нормальное взаимодействие деталей, вызывают значительные дополнительные нагрузки на них, удары в сопряжениях и вибрации, которые
могут привести к аварийным разрушениям.
Износ – это результат процесса изнашивания деталей, выражающийся в изменении их
размера, формы, объема и массы. Изнашивание – это процесс скоростного разрушения, сопровождающийся отделением материала с поверхностей деталей и накопление остаточных
деформаций в деталях при их трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и
формы взаимодействующих деталей.
Коррозионно-механическим изнашиванием М. М. Хрущов и М. А. Бабичев [43, 44]
называют механическое изнашивание, усиливаемое явлением коррозии. При сочетании коррозионных воздействий различного характера с механическим воздействием различных
видов возникает коррозионно-механическое изнашивание разнообразных типов.
В результате изнашивания деталей понижается мощность двигателя, увеличивается
расход топлива и смазочных материалов; возникают недопустимые шумы при работе механизмов, а при изнашивании, например, деталей рулевого управления и подвески базы–
автомобиля, ухудшается его управляемость и снижается безопасность движения.
Укажем некоторые примеры изнашиваний.
Типичный пример – заклинивание коленчатого вала двигателя автомобиля – проворот
вкладышей при нарушении работы системы смазывания двигателей.
В данном случае основной причиной является механическое изнашивание соприкасающихся поверхностей деталей при малых колебательных движениях изнашивание, то есть
фреттинг.
При этом если под воздействием агрессивной среды на поверхностях сопряженных деталей возникают окислительные процессы, то происходит изнашивание за счет процессов
фреттинг – коррозии.
В исследованиях МАДИ установлено, что 47,5 % партии зубчатых колес коробок передач грузовых автомобилей выбраковывались из-за износа зубьев, 32,5 % – из-за выкрашивания рабочих поверхностей зубьев, 20 % – по прочим причинам (поломки зубьев, износ
шлицев и т. п.) [16].
Некоторые зубчатые колеса выбраковывались по двум основным признакам. Во–
первых, из-за значительного рассеивания износов, наблюдаемого в эксплуатации, что объясняется чрезмерно широкими допусками на микро– и макрогеометрию деталей. Вовторых, из-за нестабильности технологии изготовления некоторых деталей и другими при118
чинами.
Изнашивание при заедании происходит в результате схватывания, глубинного вырыв ания материала деталей и переноса его с одной поверхности на другую, что приводит к появлению задиров на рабочих поверхностях деталей, к их заклиниванию и разрушению.
Такое изнашивание происходит при возникновении местных контактов между трущимися поверхностями, на которых вследствие чрезмерных нагрузок и скорости, а также недостатка смазки происходит разрыв масляной пленки, сильный нагрев и «сваривание» частиц
металла.
Подобное изнашивание может происходить, например, в местах контакта вкладышей
шеек коленчатого вала и их постелей в блоке цилиндров двигателя автомобиля и крышках
подшипников.
Исследуем некоторые процессы и факторы, влияющие на износ и работоспособность
детали машин.
Оценка реального состояния поверхности и исследование процессов износа является
сложной задачей. Наиболее широкое распространение в отечественной и в зарубежной
практике получила признание молекулярно–механическая теория трения и износа [44].
Согласно этой теории трение обусловлено преодолением адгезионных связей между
трущимися поверхностями и деформированием тонких поверхностных слоев твердых тел.
Адгезионные связи, являющиеся результатом различного рода молекулярных взаимодействий, образуются в местах контакта трущихся поверхностей. При этом вследствие волнистости и шероховатости поверхностей реальных деталей общая площадь фактического
контакта может составлять весьма малую часть видимой площади трения.
Адгезия не только обусловливает необходимость приложения касательной силы для
относительного сдвига трущихся поверхностей, но может привести и к явлениям схв атывания, вырывам материала с поверхности трения.
Часто на поверхностные слои материала трущихся деталей воздействуют посторонние
абразивные частицы как минерального, так и синтетического происхождения. Поведение
этих частиц при приложении нагрузки отличается от поведения контактируемых микронеровностей, так как у них больше степеней свободы. К тому же в процессе деформирования
на участке фактического контакта повышается температура, величина которой зависит от
целого ряда факторов (нагрузки, скорости скольжения, наличия и качества смазки, величина
шероховатости поверхностей).
Изменение температуры может приводить к изменениям свойств поверхностных слоев
трущихся пар, например вызвать отпуск закаленной стали, плавление частиц связующего материала во фрикционных накладках. В результате воздействия внешних условий (воздуха,
масла и других) в зоне фрикционного контакта может также происходить изменение физикомеханических свойств материалов деталей. Под воздействием поверхностно–активных веществ, находящихся в смазке при высоких давлениях, может наблюдаться снижение прочности поверхностных слоев трущихся пар.
Это обусловливается компенсацией поверхностных молекулярных сил и уменьшением
поверхностного напряжения. Внешняя среда может также образовывать на поверхностях
трения окисные пленки. Прочность этих пленок обычно меньше прочности основного металла, поэтому последующее разрушение происходит не по глубине материала, а по поверхностным слоям.
Таким образом, чаще всего различают следующие три стадии развития проц есса износа: взаимодействие поверхностей; изменение под влиянием сил трения поверхностных слоев
контактирующих материалов; разрушение поверхностей и отделение частиц износа.
Виды процессов при трении и изнашивании. В теории и на практике различают следующие процессы, сопровождающие трение и изнашивание [16, 26, 38] деталей машин.
Царапание. Вдавившаяся твердая частица извне воздействует на более мягкий материал
при скольжении и подминает под себя микрозоны, оттесняя материал в стороны, оставляя
царапину. Обычно царапины располагаются параллельно пути скольжения. Царапину может
119
оставить и перекатывающаяся частица, при этом направление царапины может не соответствовать направлению движения детали. На участках с многократно пластически деформируемым металлом могут образовываться также трещины, с развитием которых частички материала отделяются.
Помимо адгезионного взаимодействия в зонах фактического контакта и более твердые
(жесткие) выступы могут внедряться в сопряженное тело детали. При относительном скольжении поверхностей перед каждым из жестких выступов образуется валик и материал подминается и раздвигается в стороны. Адгезионные связи разрушаются и формируются вновь.
Это смешанные процессы, но среди них часто преобладает деформирование.
Деформирование материала в зависимости от величины развивающихся напряжений
при взаимодействии неровностей и внедрении абразивных частиц может быть упругим или
пластическим и даже вызывать разрушение
Отслаивание – материал при пластическом течении может оттесняться в сторону от
поверхности трения и после исчерпания способности к дальнейшему течению отслаиваться.
Если при линейном и точечном контакте тел, а также циклическом нагружении напряжения по глубине слоя больше предела усталости материала, то при этом могут образов ываться трещины, приводящее к чешуйчатому отделению материала.
Выкрашивание возникает обычно в условиях качения со скольжением или без него и
характеризуется образованием ямок на поверхности трения. Непосредственному выкрашиванию предшествует образование и развитие в малых объемах поверхности контакта трещин,
ограниченных от остального материала. Выкрашивание может происходить при многократном взаимодействии контактирующих поверхностей вследствие превышения предела их п оверхностной выносливости.
Заедание характеризуется возникновением и развитием повреждений поверхностей
трения вследствие схватывания трущихся пар и переноса материала с поверхности одной
трущейся детали на другую.
Схватывание (локальное соединение двух тел) может происходить в определенных
условиях вследствие действия молекулярных сил.
Перенос материала заключается в том, что материал одного тела соединяется с другим
и, отрываясь от него, остается на поверхности второго.
Перенос материала детали может осуществляться при однократном воздействии.
Таким образом, теория и практика показывают, что основными причинами измен ения свойств деталей и узлов являются процессы трения, внешние воздействия и воздействия окружающей среды. Причем важнейшими являются контактные процессы, обусловленные процессами трения. Для конкретных условий трения немаловажно также
установить количественную зависимость износа от работы трения. Хотя в действительности работа, расходуемая на изнашивание трущихся поверхностей, составляет лишь н ебольшую долю всей работы трения.
Иногда в одном и том же механизме наблюдаются различные виды трения. Так, в автомобильном двигателе внутреннего сгорания стенки цилиндров в нижней части смазываются
весьма обильно, вследствие чего при движении поршня на середине хода трение колец и
поршня о стенку цилиндра приближается к жидкостному трению.
При движении поршня вблизи верхней мертвой точки (особенно при такте впуска)
условия смазки колец и поршня резко ухудшаются, так как оставшаяся на стенках цилиндра
масляная пленка претерпевает изменения под воздействием высокой температуры продуктов сгорания.
Недостаточно и плохо обычно смазывается верхняя часть цилиндра. После пуска холодного двигателя возможно граничное и даже сухое трение компрессионных колец о
стенки цилиндра, что является одной из причин повышенного износа цилиндров в верхней части.
При любом трении (как сухом, так и со смазкой) изнашивание детали из одного и
того же материала и разных конфигураций может изменяться в 1000 и более раз из-за
120
изменения внешних условий.
Степень изнашивания поверхностей трения в большой мере зависит от изменения
скорости (которые бывают малые, средние, большие) на поверхности трен ия.
При прочих равных условиях это может привести к переходу от трения без схватывания к трению, сопровождаемому схватыванием и глубинным вырыванием частиц материала из детали.
Виды и ме ханизмы изнашивания. Русские ученые М. М. Хрущов и М. А. Бабичев
все виды изнашивания при нарушении фрикционных связей предложили делить на две
группы: механическое изнашивание и молекулярно–механическое изнашивание. При этом
различают адгезионное, тепловое, окислительное, эрозионное, а также изнашивание при заедании, фреттинге и фреттинг – коррозии.
Фундаментальными исследованиями установлено, что наиболее часто встречаются
следующие основные виды механического изнашивания: абразивное, изнашивание вследствие пластического деформирования, усталостное изнашивание и изнашивание при хрупком разрушении [43, 44].
Выше отмечалось, что абразивным изнашиванием называют такое изнашивание п оверхности детали, которое происходит в результате механического режущего, царапающего
или давящего действия твердых тел или частиц. При этом виде изнашивании часть материала детали удаляется с изнашиваемой поверхности в виде очень мелкой стружки или в виде
частиц ранее деформированного локального участка поверхностного слоя при пластически
деформированной царапине, или в виде осколков, отделяющихся при однократном или
многократном воздействии. Абразивное изнашивание является следствием режущего, царапающего и выглаживающего воздействия попавших между трущимися поверхностями сопряженных деталей твердых абразивных частиц (пыль, песок, стружки, шлам).
Основными составляющими пыли являются: двуокись кремния SiO 2 , окись железа
Ре2 О3 и в значительно меньшем количестве – соединения Са, Мg, Nа и других элементов.
Наиболее распространена в пыли двуокись кремния SiO 2 , содержание которой в зависимости
от состава почвы и скорости ветра изменяется в пределах 65 – 95 %.
Удельный вес кремния 24,5 – 27,4 кН/м3 . Микротвердость частиц SiO2 высока и
находится в пределах 10780 – 11700 МПа (1100 – 1200 кгс/мм2 ). Из абразивных частиц,
попадающих из воздуха вместе с пылью, наибольшее изнашивающее действие оказыв ают частицы кварца.
Абразивные частицы могут попасть на поверхности трения из продуктов износа
вместе с пылью, топливом и смазкой, внедриться в поверхность при обработке ее абразивным инструментом.
Твердые изнашивающие частицы могут оказаться и структурными составляющими
одного из сопряженных материалов. Эти частицы могут быть разной формы, а расположены различным образом (гранями или ребрами) относительно трущейся поверхности.
При этом резать или снимать стружку могут только некоторые из них, основная же
их часть пластически деформирует более мягкий материал, оставляя на нем следы в виде
рисок, царапин или канавок. Выпуклости по краям таких пластически выдавленных ц арапин снимаются другими абразивными зернами.
Поэтому несвоевременная замена масла в двигателе или, например, масляного
фильтра, а также несвоевременная замена поврежденных защитных чехлов или смазки в
шарнирных соединениях также вызовут абразивное изнашивание, но в меньшей степени.
Попадая между трущимися деталями открытых узлов трения (например, между
тормозными колодками и дисками или барабанами, между листами рессор автомобиля),
твердые абразивные частицы резко увеличивают их поверхностный износ.
В целом выделяют следующие виды абразивного изнашивания: микрорезание – отделение от поверхностного слоя стружки и царапание.
Микрорезание возникает при внедрении на достаточно большую глубину твердой частицы, что встречается редко (при попадании на сопряженные поверхности абразива или
121
продукта износа).
Абразивному изнашиванию подвержены очень многие детали строительн ой технологической машины. Особенно подвержены ему детали двигателей внутреннего сгорания машин, работающих на строительных площадках объекта, в карьерах или движущихся колоннами машин по пыльным полигонам и проселочным дорогам. Устранить изнашивание этого
вида можно применением совершенной фильтрации воздуха и циркулирующей смазки, что
сложно выполнимо.
Абразивное изнашивание наблюдается иногда и в зубчатых передачах автомобилей. В
закрытых механизмах (например, в кривошипно-шатунном механизме двигателя) данный
вид трения проявляется в значительно меньшей степени. Он является следствием попадания
в смазочные материалы различных абразивных частиц и накопления в них продуктов износа.
Изнашивающие абразивные частицы могут быть минерального происхождения, металлическими частицами, продуктами окисления смазочных материалов или твердыми структурными составляющими одного из сопряженных материалов машины.
Характерными признаками абразивного износа элементов передач являются гладкая
матовая поверхность, образование в некоторых случаях тонких царапин, а также изменение
размеров частей деталей.
Возникающие царапины отличаются от задиров внешним видом: они имеют сглаженный профиль без характерных для задиров рваных очертаний дна и стенок.
Опыты показывают, что изношенная поверхность, например зубьев шестерен, начинается у самой низкой точки контакта зубьев и заканчивается у полюсной линии, затем вновь
начинается у полюсной линии и распространяется до самой высокой точки контакта в одн опарном зацеплении. Такой вид износа получается потому, что вышеуказанные участки подвергаются наибольшим нагрузкам, которым сопутствует трение скольжения.
При абразивном износе на полюсной линии и возле самой низкой линии контакта
остаются хребты. Причем износ не ограничивается одной зоной на поверхности зуба, а распространяется по всей его длине.
В месте расположения выступа у полюсной линии по мере износа значительно увеличиваются контактные нагрузки, под влиянием которых наступает быстрое усталостное разрушение металла в этой зоне с последующим выкрашиванием частиц зуба и его разрушением Скорость абразивного износа составляет от 0,5 до 50 мкм/ч.
В строительных машинах используется много пластичных материалов, в том числе,
сплавов. При значительных контактных напряжениях и повышенных температурах происходит локальное и поверхностно–приповерхностное постепенное перемещение слоев в
направлении плоскостей скольжения, то есть происходит некоторое перемещение материала «внутри» самой детали. Это изнашивание вследствие пластического деформирования.
При этом изменяются размеры трущихся деталей (подшипников скольжения), не вызывая
уменьшения их массы. При разрушении масляной пленки процесс ускоряется [24].
Считается, что царапание без резания (пластическая деформация) происходит в том
случае, когда вдавившийся участок или частица при скольжении оттесняет перед собой и в
стороны материал, оставляя след на поверхности в виде углубления и навалов по краям
царапины, которая обрывается при выходе внедрившегося элемента из зоны фактического контакта, раздроблении частицы или уносе ее за пределы области трения.
Таким образом, пластическое деформирование сопряжено с изменением формы при
нагрузках выше предела текучести. Деформация и смятие могут распространяться на весь
объем деталей или на его значительную часть. Смятие деталей может возникать при трении.
Оно может быть вызвано передачей усилий, непосредственно не связанных со скольжением
или качением поверхностей.
Пластическим деформациям подвергаются чаще всего незакаленные детали. Пластическая макродеформация может привести к изменению фактического контакта поверхности , в
результате этого происходит местное увеличение давления и возникает заедание.
В тихоходных зубчатых передачах с колесами из стали с недостаточной твердостью
122
возникают значительные пластические деформации с образованием канавок по полюсной
линии у ведущих зубьев и наплывов у ведомых зубьев. Повышая вязкость масла, можно
уменьшить силы трения и интенсивность пластической деформации.
Для деталей, которые входят в контакт с ударом (седла клапанов), характерно смятие
рабочих поверхностей.
Изнашивание при хрупком разрушении происходит вследствие того, что поверхностный слой одной из сопряженных деталей в результате трения и сопровождающего его
пластического деформирования интенсивно наклёпывается, становится хрупкими, затем
разрушается, обнажая лежащий под ним менее хрупкий материал.
Явление повторяется несколько раз, и поэтому весь процесс изнашивания носит циклический характер [43].
Хрупкий поверхностный слой может также образоваться в результате структурных
превращений при нагреве в процессе трения, изменения состава поверхностного слоя при
взаимодействии металла со средой.
Усталостное изнашивание возникает при повторных, достаточно высоких напряжениях, испытываемых одним и тем же объемом материала, прилегающего к поверхности
(особенно при знакопеременных напряжениях). Усталостное изнашивание состоит в том,
что твердый поверхностный слой материала детали в результате трения и циклических
нагрузок становится несколько хрупким и разрушается (выкрашивается), обнажая находящиеся под ним менее твердый и изношенный слой.
Усталостное разрушение деталей возникает при циклических нагрузках, превышающих предел выносливости металла детали. При этом происходит постепенное образование и
рост усталостных трещин, приводящих при определенном числе циклов нагрузки к разрушению детали.
Такие повреждения возникают, например, у рессор и полуосей при длительной эксплуатации автомобиля в экстремальных условиях (длительные перегрузки, низкие или высокие
температуры).
Отметим также, что контактная усталость в детали определяется физикомеханическими свойствами её материала, скоростью качения детали, удельным скольжением, режимом нагружения, вязкостью масла, способом подачи его к трущимся поверхностям, чистотой поверхности.
Так, при значительных нагрузках цементированные зубчатые колеса более склонны к
усталостному выкрашиванию, чем колеса со сквозной закалкой. Большая скорость изнашивания этих колес обусловливается рассеиванием свойств в граничной зоне между закаленным слоем и сердцевиной.
Образующиеся на поверхности ямки в начальной стадии имеют V–образную форму и
обычно располагаются на поверхности ножки зуба. При дальнейшей работе передачи начинают образовываться ямки и выше полюсной линии проникают через закаленный слой и
вызывают его отслаивание от сердцевины.
Во многих случаях отслаивание развивается по вершине зуба и переходит на ненагруженную сторону зуба. За отслаиванием следует выкрашивание частиц металла, нарушается
профиль зуба, что может приводить к поломке зуба в средней его плоскости.
В этих условиях в поверхностном слое возникают микротрещины и возможно местное поверхностное разрушение в виде выкрашивания.
Указанный вид изнашивания возникает на беговых дорожках колец подшипников качения, зубьях шестерен и зубчатых колес.
Обычно зубчатые колеса с таким видом износа могут оставаться на машине при условии, что они подвергаются периодическому осмотру. Время от появления первых ямок до
катастрофического выкрашивания превышает время, требуемое для образования начального
этапа выкрашивания.
123
В случае быстроходных передач уровень шума передачи по мере увеличения износа и
выкрашивания повышается. Продолжающееся выкрашивание может приводить к поломке
зубьев, когда площадь сечения становится недостаточной для передачи нагрузки.
Выкрашивание поверхности цементированных и закаленных колес может быть результатом длительных перегрузок, недостаточной толщины масляной пленки (из-за низкой вязкости масла) или обезуглероживания поверхности [43,44].
Обезуглероживание понижает твердость поверхности и является результатом неправильной термообработки
Этот вид изнашивания наблюдается при трении качения или при качении с проскальзыванием. Поверхностное выкрашивание в виде раковины, ямки, оспинки иногда называют питтингом.
Питтинг можно рассматривать как процесс контактной усталости поверхностей при
их качении или при качении со скольжением. Необходимым условием образования питтинга является наличие в некоторых зонах металлического контакта на смазываемых поверхностях.
Механизм действия таков. В первичную трещину, распространяющуюся наклонно к
поверхности в соответствии с направлением напряжения, проникает масло. Когда наружный конец трещины вступает в контакт с сопряженной поверхностью, выход для масла закрывается, и внутри трещины возникает высокое давление, распирающее трещину.
При повторных нагружениях трещина углубляется, а затем оттесняется к поверхности.
При этом отделяется объем выкрашивающегося металла.
Под действием контактных переменных напряжений может произойти и другой вид
повреждений – отслаивание, то есть отделение чешуек металла.
Отслаивание возникает в том случае, когда трещина, развивающаяся в глубине металла, выходит на поверхность.
Отслаивание твердого слоя наблюдается на цементованных, цианированных, азотированных и закаленных поверхностях. Разрушение происходит тем быстрее, чем больше по
величине касательные напряжения. Отслаивание иногда удается ликвидировать увеличением толщины упрочненного слоя.
На процесс отслаивания влияют остаточные напряжения от термообработки и напряжения, возникающие при деформации детали. Значительное пластическое деформирование
неупрочненной поверхности детали под действием контактной нагрузки также может
явиться причиной отслаивания.
Для предотвращения усталостных разрушений и пластических деформаций следует
строго соблюдать правила эксплуатации автомобиля, избегая его работы на предельных режимах и с перегрузками.
Адгезионное изнашивание происходит при схватывании металлов в процессе трения с
образованием прочных металлических связей в зонах непосредственного контакта поверхностей. Из-за адгезии могут образоваться прочные связи не только между металлами,
но и между металлом и неметаллом и между неметаллами.
Необходимым условием для образования узла схватывания на смазываемых поверхностях является разрушение масляной пленки. Прочность схватывания для данной пары
тел зависят от площади сцепления и вида материалов [44].
При взаимодействии одинаковых металлов срез редко возникает по соединению, а
обычно по глубине основной массы металла при значительном повреждении поверхностей.
Этим объясняется то обстоятельство, что скольжение одноименных металлов при водит к
значительному износу и большому коэффициенту трения.
Отечественными учеными установлено, что при адгезии возможны следующие виды
разрушения узлов схватывания:
– срез по соединению, который происходит в том случае, когда прочность связи
меньше прочности металлов пары трения. При этом с обеих поверхностей трения удаляется сравни тельно мало металла, хотя коэффициент трения может достигать большой
124
величины.
– срез в толще менее прочного металла, который наблюдается тогда, когда соединение
прочнее одного из металлов. При этом частицы металла налипают на более твердую
поверхность.
– срез в толще менее прочного металла (детали) с вырывом частиц из более прочного металла; он происходит, если соединение прочнее обоих металлов.
Наиболее сильная форма схватывания ведет к задирам или к заеданию, вследствие чего на поверхностях трения остаются широкие и глубокие борозды с неровными краями, наблюдаются вырывы металла, образуются наросты. В результате может наступить
полное заклинивание деталей.
Изнашивание при заедании. Причиной данного вида разрушения поверхностей является образование высокой температуры в отдельных точках контакта металла трущихся пар,
что приводит к свариванию касающихся выступов, вырывай металла с поверхности одной
детали и наростам металла на поверхности другой детали.
С заеданием приходится сталкиваться в сильно нагруженных подшипниках, в зубчатых
зацеплениях, в цилиндро-поршневой группе двигателей.
Заедание может возникать, например, при работе зубчатых передач. Начальное или
легкое заедание здесь характеризуется обычно наличием мелких борозд или следов схватывания на поверхности зуба.
Если такие борозды мелкие и возникают в начальный период работы, то после процесса
приработки они могут завальцовываться. Основной причиной заедания зубьев обычно является временное отсутствие смазки на поверхностях вследствие выдавливания ее при больших нагрузках и скоростях.
Задиры на рабочей поверхности цилиндров и на поршнях двигателей внутреннего сгорания могут происходить в результате искажения геометрической формы зеркала цили ндров, перегрева поршня, неудовлетворительной смазки, повышенного нагарообразования.
Задиры в виде неглубоких параллельных царапин располагаются вертикально на п оверхности зуба. Эти задиры образуются обычно на головке зуба шестерни или на ножке зуба
колеса. В зоне полюсной линии задиры обычно вначале отсутствуют, потому что в этой зоне
нет скольжения [25].
Начальные задиры нередко образуют на поверхности трещины, которые, в свою очередь, приводят к выкрашиванию. В этом случае выкрашивание располагается либо выше,
либо ниже полюсной линии в зависимости от того, является ли данное колесо ведущим или
ведомым. Задиры бывают особо опасными в ускоряющих передачах. В таком случае разв итие задиров направлено к самой тяжело нагруженной средней зоне поверхности зуба, причем
возможности завальцовки задиров или дальнейшей исправной работы значительно умен ьшаются.
Задиры могут образовываться независимо от твердости поверхности. При этом задиры
на зубьях сравнительно мягких колес могут привести в дальнейшем к их абразивному изнашиванию. При высоких контактных нагрузках и отсутствии смазки схватывание часто
наблюдается в опорах качения. В подшипниках качения задиры могут возникать в результате скольжения тел качения по дорожкам качения и по бортам колен.
В зубчатых передачах задиры образуются при разрыве масляной пленки вследствие
чрезмерно высокой нагрузки или в случае, когда температура достигает критической величины для смазки данного сорта.
М. М. Хрущов и М. А. Бабичев рекомендуют, рассматривая изнашивание при схватывании, выделять в особый вид тепловое изнашивание, которое называют изнашиванием
при схватывании второго рода [43,44].
Тепловое изнашивание обусловливается нагревом поверхностных участков трущихся
материалов до высоких температур, что наблюдается при трении скольжения с большими
скоростями и при значительных удельных нагрузках.
Вследствие большой скорости нагрева и охлаждения в местах контакта глубина изме125
нений структуры при тепловом изнашивании достигает у стальных деталей 5 – 80 мкм.
В интервале температур, при которых мало снижается прочность трущихся материалов, разрушение происходит с малыми пластическими деформациями. При этом поверхность трения покрывается надрывами, чередующимися через равномерные промежутки.
В интервале температур, вызывающих большое снижение прочности трущихся поверхностных слоев металла, поверхность разрушается вследствие отделения частиц сильно
размягченного металла и налипания их на более прочную поверхность. В интервале температур плавления металла разрушение происходит в результате уноса тонких пленок
расплавленного металла [43,44].
Окислительное изнашивание происходит в том случае, когда кислород вступает во взаимодействие с металлом и образует на нем окисную пленку, которая и вызывает в данном
случае изнашивание.
Окисление стальных деталей происходит при соприкосновении с воздухом.
При трении со смазкой сталь окисляется кислородом, растворенным в масле. Окисные
пленки не способны к схватыванию, что объясняется их неметаллической природой. При
трении эти пленки постепенно истираются или отрываются от металла и удаляются со смазкой, а затем образуются вновь. Фактически окислительное изнашивание это установившийся стационарный процесс динамического равновесия разрушения и восстановления
окисных пленок. Данный вид разрушения поверхности возникает при трении качения, при
сухом трении и граничной смазке.
Давления при окислительном износе не превышают критических значен ии, которым
соответствует разрушение масляной пленки при граничном трении, или величин, вызывающих интенсивных разрушение защитных вторичных структур окислов.
Теплота, образующаяся при трении, до определенных величин способствует развитию
рассматриваемого вида износа, выше некоторых критических значений – приводит к возникновению схватывания.
Скорость окислительного изнашивания составляет от 0,05 до 0,1 мкм/ч.
Проблема коррозии подшипников скольжения возникла после внедрения в быстроходные двигатели внутреннего сгорания антифрикционных свинцовых, медносвинцовых и кадмиевых сплавов. Все эти сплавы корродируют под воздействием кислот, содержащихся в
маслах или образующихся в них во время работы.
Механизм разрушения при этом можно представить в таком виде: органические кислоты образуют со свинцом свинцовые мыла, которые уносятся протекающей смазкой. Вымывание свинцовой составляющей сплава резко ослабляет механическую прочность соприкасающихся поверхностей.
Для защиты от коррозии применяют антикоррозионные присадки к маслу. Износ средней части цилиндров карбюраторных двигателей при нормально действующей системе смазки всегда в несколько раз меньше износа верхней части, и поэтому срок службы цилиндров определяется износом верхней части.
Одной из основных причин износа верхней части цилиндров является (в зависимости
от условий эксплуатации, режима работы и конструкции) кислотная коррозия, происходящая при низкой температуре стенок, особенно при работе непрогревшегося двигателя. Из
истории автомобилестроения известен следующий пример: при доводке двигателя автомобиля ГАЗ единственным способом, позволившим резко уменьшить износ верхней части ц илиндров, оказалась постановка коротких гильз из коррозионно-стойкого чугуна с аустенитной структурой.
Окислительное изнашивание присуще ювенильным поверхностям и происходит в результате воздействия на трущиеся поверхности сопряженных деталей агрессивной технологической среды, под действием которой на них образуются непрочные пленки окислов, разрушающиеся при трении, а обнажающиеся поверхности вновь окисляются. Данный вид изнашивания наблюдается на деталях цилиндро-поршневой группы двигателя, а также деталях цилиндров гидропривода тормозов или сцепления.
126
Эрозионное изнашивание. Оно возникает в результате воздействия на поверхности деталей движущихся с большой скоростью потоков жидкости и газа, с содержащимися в них
абразивными частицами, а также возникающих (подающихся) электрических разрядов.
В зависимости от характера процесса эрозии и преобладающего воздействия на детали
частиц газа, жидкости или абразива различают газовую, кавитационную, абразивную и
электрическую эрозию.
Газовая эрозия состоит в разрушении материала детали под действием механических и
тепловых воздействий молекул газа.
Газовая эрозия наблюдается на клапанах, поршневых кольцах и зеркале цилиндров
двигателя, а также на деталях системы выпуска отработавших газов.
Кавитационная эрозия деталей происходит за счет разрыва пузырьков газа при нарушении сплошности обтекания потока жидкости; когда образуются воздушные пузырьки,
они, разрываясь вблизи поверхности детали, приводят к многочисленным гидравлическим
ударам жидкости о поверхность металла, вызывая ее локальное разрушение.
Подобным разрушениям подвержены детали двигателя, контактирующие с охлаждающей жидкостью, например, это внутренние полости рубашки охлаждения блока цилиндров,
наружные поверхности гильз цилиндров, патрубки системы охлаждения и другие.
Электроэрозионное изнашивание проявляется в эрозионном изнашивании поверхностей деталей в результате воздействия разрядов электронного тока при прохождении,
например, между электродами свечей зажигания или контактами прерывателя.
Абразивная эрозия возникает при механическом воздействии на поверхности деталей
абразивных частиц, содержащихся в потоках жидкости (гидроабразивная эрозия) и газа (газообразная эрозия), и наиболее характерна для наружных деталей кузова автомобиля, както: арки колес, днище и другие.
Изнашивание при фреттинг – коррозии или контактная коррозия – это особый вид изнашивания мест скольжения плотно контактирующих поверхностей, находящихся под
нагрузкой при очень малых повторных относительных перемещениях, то есть вибрациях.
Разрушение в данном случае заключается в образовании на поверхностях взаимного
касания деталей язвинок и продуктов коррозии в виде порошка или налета. Этот вид изнашивания возникает при трении скольжения с очень малыми возвратно-поступательными
перемещениями и динамическом приложении нагрузки. Он может возникать при сухом
трении и в условиях смазки. Ему подвержены различные материалы.
Данный вид износа сравнительно редко встречается в узлах трения автомобилей.
Фреттинг–коррозия появляется в самых различных узлах и сопряжениях машин, иногда
даже в неработающих. Тем не менее, контактная коррозия, возникающая в местах относительного скольжения листов рессоры, может привести к поломке рессорных листов.
Аналогичное явление наблюдается на рессорных площадках ведущих мостов при
ослаблении затяжки стремянок. При этом изнашиваются рессорные площадки.
Изнашивание неметаллических материалов. Считается, что этот вид изнашивания,
например, при взаимодействии пластмассы или резины с металлической поверхностью также может быть механическим и молекулярным. Шероховатость металлической поверхности повышает число контактов, за счет пластической деформации поверхностного слоя пластичного материала. При этом увеличивается количество зацеплений и значительно возрастает сила трения.
При значительной адгезии разрушение возникшей фрикционной связи возможно как
по пластичному материалу, так и по металлу.
В итоге может наблюдаться перенос материала с пластичного материала на металл,
с металла на пластичный материал или одновременно с одной поверхности на другую.
Этим объясняется наблюдаемый иногда износ более твердого металла более мягким пластическим материалом.
Сила трения в данном случае обусловливается как адгезией на площадках контакта, так и сопротивлением при движении внедрившихся шероховатостей металлической по127
верхности.
Основной механизм износа неметаллических материалов в паре с металлом или неметаллического материала в паре с неметаллическим материалом не отличается от механизма износа при трении металла по металлу.
Закономерности процесса трения при этом зависят от особенностей механики трущихся
поверхностей, условий и физико-химических свойств или их изменений в процессе трения.
Коррозия возникает на поверхностях деталей в результате химического или электрохимического взаимодействия материала детали с агрессивной окружающей средой, приводящего к окислению (ржавлению) металла и, как следствие, к уменьшению прочности и ухудшению внешнего вида деталей.
Наиболее сильное коррозирующее воздействие на детали автомобиля оказывают соли,
используемые на дорогах в зимнее время, а также отработавшие газы. Сильно способствует
коррозии сохранение влаги на металлических поверхностях, что особенно характерно для
скрытых полостей и ниш.
Для уменьшения коррозии деталей машин, и в первую очередь открытых поверхностей, необходимо поддерживать их чистоту, осуществлять своевременный уход за лакокрасочным покрытием и его восстановление, производить противокоррозионную обработку
скрытых полостей кузова и других подверженных коррозии элементов и деталей.
Старение – это изменение физико-химических свойств материалов деталей и эксплуатационных материалов в процессе эксплуатации и при хранении автомобиля или его частей
под действием внешней среды (нагрев или охлаждение, влажность, токсичные среды, солнечное воздействие, радиация).
Так, в результате старения резинотехнические изделия теряют эластичность и растрескиваются. У топлива теряется октановое число. У масел и эксплуатационных жидкостей
наблюдаются окислительные процессы, изменяющие их химический состав, что приводит к
ухудшению их эксплуатационных свойств.
4.6. Характерные дефекты и методы контроля деталей
строительных технологических машин
Характерные дефекты деталей и узлов машин. Структурные параметры строительных
инженерных машин, то есть несущей базы – автомобиль и рабочие органы – агрегатов зависят от состояния сопряжений, деталей, которое характеризуется посадкой.
Всякое нарушение посадки вызывается изменением размеров и геометрической формы
рабочих поверхностей; нарушением взаимного расположения рабочих поверхн остей; механическими повреждениями, химико-тепловыми повреждениями; изменением физикохимических свойств материала детали.
Изменение размеров и геометрической формы рабочих поверхностей деталей происходит в результате их изнашивания. Неравномерное изнашивание вызывает возникновение таких дефектов формы рабочих поверхностей, как овальность, конусность, бочкообразность,
корсетность. Интенсивность изнашивания зависит от нагрузок на сопряженные детали, скорости перемещения трущихся поверхностей, температурного режима работы деталей, режима смазывания, степени агрессивности окружающей среды.
Нарушение взаимного расположения рабочих поверхностей проявляется в виде изменения расстояния между осями цилиндрических поверхностей, отклонений от параллельн ости или перпендикулярности осей и плоскостей, отклонений от соосности цилиндрических
поверхностей.
Причинами этих нарушений являются неравномерный износ рабочих поверхностей,
внутренние напряжения, возникающие в деталях при их изготовлении и ремонте, остаточные
деформации деталей вследствие воздействия нагрузок. Взаимное расположение рабочих поверхностей наиболее часто нарушается у корпусных деталей. Это вызывает перекосы других
деталей агрегата, ускоряющие процесс изнашивания.
128
Механические повреждения деталей – трещины, обломы, выкрашивание, риски и деформации (изгибы, скручивание, вмятины) – возникают в результате перегрузок, ударов и
усталости материала [24].
Трещины являются характерными для деталей, работающих в условиях циклических
знакопеременных нагрузок. Наиболее часто они появляются на поверхности деталей в местах концентрации напряжений (например, у отверстий, в галтелях).
Обломы, характерные для литых деталей, и выкрашивание на поверхностях стальных
цементованных деталей возникают в результате воздействия динамических ударных нагрузок и вследствие усталости металла.
Риски на рабочих поверхностях деталей появляются под действием абразивных частиц,
загрязняющих смазку.
Деформациям подвержены детали из профильного проката и листового металла, валы
и стержни, работающие в условиях динамических нагрузок.
Химико-тепловые повреждения – коробление, коррозия, нагар и накипь появляются
при эксплуатации машины в тяжелых условиях.
Коробление поверхностей деталей значительной длины обычно возникает при воздействии высоких температур.
Коррозия – результат химического и электрохимического воздействия окружающей
окислительной и химически активной среды. Коррозия проявляется на поверхностях деталей
в виде сплошных оксидных пленок или местных повреждений (пятен, раковин).
Нагар является результатом использования в системе охлаждения двигателя автомобильной базы воды.
Накипь является результатом использования в системе охлаждения двигателя автомобильной базы воды.
Изменение физико-механических свойств материалов выражается в снижении твердости и упругости деталей. Твердость деталей может снизиться вследствие изменения структуры материала при нагреве в процессе работы до высоких температур. Упругие свойства пружин и рессор снижаются вследствие усталости материала.
Предельные и допустимые размеры и износы деталей.
Различают размеры рабочего чертежа, допустимые и предельные размеры и износы деталей.
Размерами рабочего чертежа называются размеры детали, указанные заводом–
изготовителем в рабочих чертежах.
Допустимыми называются размеры и износы детали, при которых она может быть использована повторно без ремонта и будет безотказно работать до очередного плавного ремонта машины (агрегата).
Предельными называются размеры и износы детали, при которых ее дальнейшее использование технически недопустимо или экономически нецелесообразно.
Изнашивание детали в различные периоды ее работы происходит не равномерно, а по
определенным кривым, с тремя особыми участками.
Первый участок продолжительностью t 1 характеризует изнашивание детали в период
приработки. В этот период шероховатость поверхностей детали, полученная при ее обработке, уменьшается, а интенсивность изнашивания снижается.
Второй участок продолжительностью t 2 соответствует периоду нормальной работы сопряжения, когда изнашивание происходит сравнительно медленно и равномерно.
Третий участок характеризует период резкого повышения интенсивности изнашивания
поверхностей, когда мероприятия технического обслуживания препятствовать этому уже не
могут.
За время Т, прошедшее с начала эксплуатации, сопряжение достигает предельного состояния и требует ремонта. Зазор в сопряжении, соответствующий началу третьего участка
кривой изнашивания, определяет значения предельных износов деталей.
129
Последовательность контроля деталей при дефектации. В первую очередь выполняют
визуальный контроль деталей с целью обнаружения повреждений, видимых невооруженным
глазом: крупных трещин, обломов, рисок, выкрашивания, коррозии, нагара и накипи.
Затем детали проверяют на приспособлениях для обнаружения нарушений взаимного
расположения рабочих поверхностей и физико-механических свойств материала, а также на
отсутствие скрытых дефектов (невидимых трещин). В заключение контролируют размеры и
геометрическую форму рабочих поверхностей деталей.
Определение износа и изнашивания деталей машин. Под изнашиванием подразумевают процесс постепенного изменения размеров и формы тела при трении, проявляющийся с
отделением с поверхности трения материала развитие остаточной деформации, поэтому
определить однозначно какими–то показателями весь процесс затруднительно. Для одного и
того же изделия предельные значения размеров изнашивающихся деталей меняются в зав исимости от условий использования, периодичности мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту, последствий отказа, наличия запасных частей и прочие.
Одним из объективных показателей износа является определение предельных размеров
деталей. При этом предельные размеры износа определяются критериями технических п оследствий, ими являются:
– недопустимое снижение прочности деталей вследствие изменения их размеров;
– высокая концентрация нагрузок на поверхность зубьев шестерен вследствие износа
подшипников или перекоса валов;
– значительное возрастание интенсивности износа зубьев шестерен при превышении
износа по толщине зуба упрочняющего слоя;
– чрезмерное увеличение динамических нагрузок на элемент конструкции вследствие
увеличения зазоров между сопряженными деталями и другие.
Наиболее часто износ характеризуется изменением размера детали в направлении, перпендикулярном к поверхности трения – линейный износ (И л). Реже используются показатели
изменения объема – объемный износ (И0б ) или износ массы детали (Им ).
Износ является функцией времени, в связи с чем одним из основных показателей изн оса является скорость изнашивания Vи.
Одним из важных показателей износа является интенсивность изнашивания (Jи), определяемая как отношение величины износа к обусловленному пути, на котором происходило
изнашивание, или к объему выполненной работы.
Так как под износостойкостью материала детали подразумевается его свойство оказывать сопротивление изнашиванию при определенных условиях трения, то оценивается износостойкость величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.
Широко используется безразмерный показатель относительной износостойкости εи ,
определяемый отношением износостойкости испытуемого материала и материала, принятого
за эталон, при их изнашивании в одинаковых условиях.
Предельным износом (Ипр) или предельным зазором сопряжения (Зпр) называют такое
состояние, при котором дальнейшая эксплуатация детали (сопряжения) должна быть прекращена во избежание аварийной поломки или резкого ухудшения технических или экон омических характеристик машины.
Предельные размеры изнашивающихся деталей. Изменение линейных размеров детали во времени из-за износа протекает до определенного предельного значения, выше которого могут быть нарушения безопасности работы обслуживающего персонала, нежелательные технические явления (снижение прочности, недопустимые деформации) или недопустимое снижение показателей эффективности работы машины.
Правильное определение предельных размеров деталей и зазоров в их сопряжениях
имеет немалое значение, так как обеспечивает эффективное использование машин и раци ональную организацию их технического обслуживания и ремонта.
Предельные размеры износа деталей сказываются на безопасности движения и работы
человека, ими являются: износ по толщине накладок фрикционных тормозов и муфт и
130
уменьшение вследствие этого силы трения и силы удерживания грузов или машины на уклонах; износ торцевой поверхности зубчатых колес коробок передач, вызывающих самовключение или самовыключение механизмов; шум и вибрация на месте оператора вследствие и зноса элементов зубчатых цепных и других передач, крепежных элементов и др.
Существует условное деление критериев предельного износа на технические и экон омические. Изменение технических показателей имеет, как правило, экономические последствия в части использования машины, только в явном виде, как техническая величина, поэтому износ указывает на состояние детали. В конечном итоге предельные размеры износа
определяются критериями экономических показателей.
Примеры этого: появление брака в производимой продукции вследствие износа элементов машин; повышенный расход топлива вследствие износа элементов двигателя; снижение эффективной мощности двигателя дизеля вследствие износа элементов топливной системы; снижение скорости рабочих органов вследствие уменьшения производительности из–
за износа гидронасосов и гидромоторов и другие.
Экономические показатели машины однозначно зависят от износа только тех деталей,
при помощи которых машина активно взаимодействует с внешней средой.
Во многих случаях работоспособность машины зависит от величины износа не одной
детали, а какого–либо сопряжения или комплекса сопряжений. При этом целесообразно
устанавливать величины предельных зазоров в сопряжении или в комплексе сопряжений.
Характерным примером этого служит сопряжение втулка вал в подшипниках скольжения. В общем случае при определении предельного отклонения размера детали или зазора в
сопряжении вследствие износа должно выполняться неравенство
Ипр.max ≤ ( И пр.б ; И пр.т; Ипр.Э, ),
(4.17)
где Ипр.б - предельное отклонение по критерию безопасности;
Ипр.т - предельное отклонение, обусловленное техническими принципами, то есть способность выполнять рабочие функции, критерии прочности, вибрации, шумы и др.);
Ипр .э - предельное отклонение по критерию экономичности.
Величины Ипр..i, стоящие в правой части выражения, изменяются в зависимости от конкретных условий эксплуатации объекта. Соответственно и конкретные значения И пр..max правомочны для определенных условий; при этом значения Ипр.i связаны вероятностными зависимостями с определяющими их факторами.
Методы определения предельных износов не нашли еще достаточного развития. Предельные размеры изнашивающихся деталей в процессе проектирования машин могут быть
назначены согласно нормативным данным, по аналогии с ранее выпущенными машинами,
расчетным, экспериментальным и расчетно-экспериментальным путём.
Приведем примеры нормативных значений допускаемых величин некоторых подши пников. Так, величина допустимого радиального зазора в шариковых подшипниках качения в
зависимости от их конструкции и размера находится в пределах от 0,05 до 0,32 мм; величина
осевого зазора от 0,18 до 0,6 мм; для роликоподшипников величина допустимого радиальн ого зазора лежит в пределах 0,08 – 0,26 мм.
Для цилиндрических зубчатых колес при отсутствии поверхностного упрочнения зубьев предельный их износ находится в зависимости от скорости и режима нагрузки и не должен превышать по хорде дуги начальной окружности равна Ипр.т = 0,1 – 0,2 т, где т – модуль зубчатого колеса, мм.
Нормативные значения предельных размеров и зазоров в сопряжениях для некоторых
деталей машин и их сопряжений указаны в отраслевых стандартах, однако не все они являются достаточно обоснованными.
Контроль взаимного расположения рабочих поверхностей деталей.
Отклонение от соосности (смещение осей) отверстий проверяют с помощью оптических, пневматических и индикаторных приспособлений. Наибольшее применение при р е131
монте автомобилей нашли индикаторные приспособления. При проверке отклонения от соосности вращают оправку, а индикатор указывает значение радиального биения. Отклонение
от соосности равно половине радиального биения.
Несоосность шеек валов контролируют замером их радиального биения с помощью
индикаторов с установкой в центрах. Радиальное биение шеек определяется как разность
наибольшего и наименьшего показаний индикатора за один оборот вала.
Отклонение от параллельности осей отверстий определяют разность
|а1 – a2 | расстояний а1 и а2 между внутренними образующими контрольных оправок на длине
L с помощью штихмасса или индикаторного нутромера.
Отклонение от перпендикулярности осей отверстий проверяют с помощью оправки с
индикатором или калибра, измеряя зазоры Д1 и Д2 на длине L. В первом случае отклонение
осей от перпендикулярности определяют как разность показаний индикатора в двух противоположных положениях, во втором – как разность зазоров |Д1 – Д2 |.
Отклонение от параллельности оси отверстия относительно плоскости проверяют на
плите путем изменения индикатором отклонения размеров h1 и h2 на длине L. Разность этих
отклонений соответствует отклонению от параллельности оси отверстия и плоскости.
Отклонение от перпендикулярности оси отверстия к плоскости определяют на диаметре D как разность показаний индикатора при вращении на оправке относительно оси отверстия или путем измерения зазоров в двух диаметрально противоположных точках по периферии калибра. Отклонение от перпендикулярности в этом случае равно разности результатов измерений
|Д1 – Д2 | на диаметре D. Контроль скрытых дефектов особенно необходим для ответственных
деталей, от которых зависит безопасность движения машины. Для контроля применяют методы опрессовки, красок, магнитный, люминесцентный и ультразвуковой и другие.
Метод опрессовки применяют для выявления трещин в корпусных деталях (гидравлическое испытание) и проверки герметичности трубопроводов, топливных баков, шин (пневматическое испытание). Корпусную деталь устанавливаю для испытания на стенд, герметизируют крышками и заглушками наружные отверстия, после чего во внутренние полости детали насосом нагнетают воду до давления 0,3 – 0,4 МПа. Подтекание воды показывает местонахождение трещины.
При пневматическом испытании внутрь детали подают воздух давлением 0,05 – 0,1
МПа и погружают ее в ванну с водой. Пузырьки выходящего воздуха указывают местон ахождение трещины.
Методом красок пользуются для обнаружения трещин шириной не менее 20 – 30 мкм.
Поверхность контролируемой детали обезжиривают и наносят на нее красную краску, разведенную керосином.
Смыв красную краску растворителем, покрывают поверхность детали белой краской.
Через несколько минут на белом фоне проявится красная краска, проникшая в трещину.
Магнитный метод применяют для контроля скрытых трещин в деталях из ферромагнитных материалов (стали, чугуна). Если деталь намагнитить и посыпать сухим ферромагнитным порошком или полить суспензией, то их частицы притягиваются к краям трещин,
как к полюсам магнита. Ширина слоя порошка может в 100 раз превысить ширину трещины,
что позволит выявить ее. Намагничивают детали на магнитных дефектоскопах. После контроля детали размагничивают, пропуская через соленоид, питаемый переменным током.
Люминесцентный метод применяют для обнаружения трещин шириной более 10 мкм в
деталях, изготовленных из немагнитных материалов. Контролируемую деталь погружают на
10 – 15 мин в ванну с флюоресцирующей жидкостью, способной светиться при воздействии
на нее ультрафиолетового излучения. Затем деталь протирают и наносят на контролируемые
поверхности тонкий слой порошка углекислого магния, талька, силикагеля. Порошок вытягивает флюоресцирующую жидкость из трещины на поверхность детали.
132
После этого, пользуясь люминесцентным дефектоскопом, деталь подвергают воздействию ультрафиолетового излучения. Порошок, пропитанный флюоресцирующей жидкостью, выявляет трещины детали в виде светящихся линий и пятен.
Ультразвуковой метод, отличающийся очень высокой чувствительностью, применяют
для обнаружения в деталях внутренних трещин. Различают два способа ультразвуковой дефектоскопии – звуковой тени и импульсный.
Для способа звуковой тени характерно расположение генератора с излучателем ультразвуковых колебаний с одной стороны детали, а приемника – с другой. Если при перемещении дефектоскопа вдоль детали дефекта не оказывается, ультразвуковые волны достигают
приемника, преобразуются в электрические импульсы и через усилитель попадают на индикатор, стрелка которого отклоняется.
Если же на пути звуковых волн встречается дефект, то они отражаются. За дефектным
участком детали образуется звуковая тень, и стрелка индикатора не отклоняется. Этот способ
применим для контроля деталей небольшой толщины при возможности двустороннего доступа к ним.
Импульсный способ не имеет ограничений области применения и более распространен.
Он состоит в том, что посланные излучателем импульсы, достигнув противоположной стороны детали, отражаются от нее и возвращаются к приемнику, в котором возникает электрический ток. Сигналы проходят через усилитель и подаются в электронно-лучевую трубку.
При пуске генератора импульсов одновременно с помощью блока развертки включается горизонтальная развертка электронно-лучевой трубки, представляющая собой ось времени.
Моменты срабатывания генератора сопровождаются начальными импульсами А. При
наличии дефекта на экране появится импульс В. Характер и величину всплесков на экране
расшифровывают по эталонным схемам импульсов. Расстояние, между импульсами А и В
соответствует глубине залегания дефекта, а расстояние, между импульсами А и С – толщине
детали.
Контроль размеров и формы рабочих поверхностей деталей позволяет оценивать их
износ и решать вопрос о возможности их дальнейшего использования. При контроле размеров и формы детали используются как универсальные инструменты (штангенциркули, микрометры, индикаторные нутромеры, микрометрические штихмассы), так и специальные инструменты и приспособления (калибры, скалки, пневматические приспособления).
4.7. Методы исследования эксплуатационных показателей
ТС МСК, их надежности и работоспособности
Методы определения износа. В условиях эксплуатации износ деталей определяется
непосредственным его измерением после разборки механизма или оценивается по косвенным признакам без разборки механизма, например по выходным и рабочим параметрам
(мощности, расходу топлива) или сопутствующим работе механизма явлениям (нагреву,
шуму, вибрации и др.).
Определение количественных показателей надежности производят с помощью трех
методов: экспериментального, осуществляемого техническими измерительными средствами
или на основе обнаружения и подсчета количества событий или объектов, выраженного ц елым числом; расчетного, осуществляемого при помощи вычислений с использованием зн ачений параметров, найденных другими методами; комбинированного (экспериментального
совместно с расчетным).
Для определения износа применяются интегральные и дифференциальные методы. К
интегральным относятся методы определения суммарного износа по изменению массы, объема и содержанию продуктов износа. При этом измерение износа по потере массы или объема детали производят, как правило, при исследовании образцов.
Для определения износа по содержанию продуктов изнашивания в смазке берутся пробы работающего масла, в котором накопились металлические частицы, окислы металлов и
133
продукты химического взаимодействия металлов со смазкой. При анализе проб масла применяются химический, спектральный, радиометрический и другие методы. Этот интегральный метод определения износа позволяет избежать разборки машин и их узлов (например,
двигателей, зубчатых передач).
Дифференциальные методы (микрометрирование, искусственных баз и поверхностной
активации) позволяют определять распределение износа по всей поверхности трения.
Микрометрирование основано на измерении детали до и после изнашивания. Недостатком данного метода является необходимость демонтажа измеряемой детали. При малом
износе измерение производят по профилограммам, снятым с исходной и изношенной п оверхностей.
Метод искусственных баз заключается в нанесении на изнашивающуюся поверхность
углубления строго определенной формы (конуса, лунки) и определении после испытания детали уменьшения размеров этого углубления (отпечатка), то есть значения износа.
Метод поверхностной активации заключается в создании на исследуемой детали радиоактивного объема посредством облучения ее заряженными частицами или в использов ании вставки из специального сплава, прошедшего поверхностную активацию. Этот метод
позволяет измерять износ детали без остановки и разборки машины. Схемы для измерения
износа в этом случае определяются применяемыми методами регистрации излучения.
Для оценки износа деталей могут применяться и методы неразрушающего контроля
(дефектоскопия). Наиболее часто применяется визуальная оценка, а также методы, основанные на использовании гидравлического и воздушного давлений, молекулярных свойств жи дкостей, свойств магнитного или электромагнитного полей и свойств звуковых волн.
Каждый из таких методов предназначен для выполнения одной из функций обеспечения и контроля работоспособности; предупреждения отказов, восстановления работоспособности ТС МСК, подготовки к использованию применительно к множеству объектов.
Экспериментальные исследования по определению износа в условиях эксплуатации. Различают два класса изнашиваемых деталей: первый – детали, образующие пары трения, и второй – детали, не образующие таких пар. Под парой трения понимают совокупность
двух подвижно сопрягающихся поверхностей деталей (образцов) в реальных условиях службы или испытаний. Пара трения помимо материала, форм контактирующих поверхностей,
вида относительного их перемещения характеризуется также окружающей средой, в том
числе и смазкой.
При экспериментальных исследованиях по определению износа в условиях эксплуатации для определения износа применяются различные методы [15]: микрометрирования,
определения износа по уменьшению массы, определение при помощи искусственных баз
и другие. Рассмотрим некоторые из них.
Метод микрометрирования основан на измерении детали при помощи микрометра или
измерительного прибора с индикатором параметров детали до и после некоторого времени
работы, вполне достаточного, чтобы произошло изнашивание. По разности линейных размеров судят о линейном износе в разных местах поверхности трения. Индикатор снабжается
контактным или бесконтактным датчиком.
Основной недостаток этого метода заключается в том, что изменение данного размера
может быть следствием не только изнашивания поверхности, но и результатом деформации
детали. Измерения износа с помощью микрометра иногда носят условный характер вследствие того, что при этом учитываются износы в двух точках поверхности по диаметру.
Метод определения износа при помощи профилографа. Его применяют, например, для
оценки износа рабочей поверхности зуба шестерни при помощи прибора, служащего для записи профиля зуба.
Базой служат неизнашивающиеся части профиля зуба по впадине и головке.
Постоянная база, от которой замеряют линейный износ, может быть создана искусственно в виде углублений на поверхности трения. Наложением кривых, снятых через
134
разное число часов работы зуба, при совмещении неизнашивающихся участков можно определить распределение износа по поперечному профилю поверхности зуба.
Метод определения износа по уменьшению массы основан на взвешивании детали перед
сборкой в узле, то есть до начала процесса износа и после работы определенного периода, когда появилось изнашивание.
Его применяют при испытании деталей небольшой массы. Когда износ происходит
вследствие не только отделения частиц, но и пластического деформирования, то этот метод
может оказаться неприемлемым.
Метод искусственных баз состоит в том, что на поверхности выдавливают или вырезают
углубления заданной формы. Суживающееся углубление известного профиля может быть
получено в результате вдавливания алмазного индентора (в виде пирамиды или конуса), а
также путем вырезания остроугольной лунки алмазным резцом.
Расстояние от поверхности до дна углубления можно определить и без профилографа
путем вычисления. Для этого необходимо, чтобы углубление имело в сечении геометрически
правильную, заранее известную форму, что позволяет судить об упомянутом расстоянии по
ширине углубления, нанесенного на испытываемую поверхность. Наблюдая за изменением
того размера отпечатка, соотношение которого с глубиной заранее известно, можно определить местный линейный износ.
Метод искусственных баз позволяет измерить износ и определить скорость изнашивания деталей в условиях эксплуатации машины при меньших пробегах по сравнению с
замерами методом микрометрирования.
Так, при измерении износа зубьев шестерен трансмиссии автомобиля методом микрометрирования с помощью штангензубомера для обеспечения достаточно точных результатов замера необходим пробег автомобиля около 50 тыс. км. Метод искусственных баз
позволяет добиться той же точности результатов при значительно меньших пробегах.
Недостатком метода при вдавливании индентора является то, что по сторонам отпечатка может образоваться местное выпучивание, нарушающее начальную шероховатость и
требующее зачистки поверхности. Метод вырезанных лунок не имеет этого недостатка.
Метод радиоактивных изотопов заключается в том, что в материал детали, износ которой требуется изучить, вводят радиоактивный изотоп. При этом вместе с продуктами износа в масло будет попадать пропорциональное им количество атомов радиоактивного изотопа.
По интенсивности их излучения в пробе масла можно судить о количестве металла, попавшего в масло за данный период времени. Свойства вводимого изотопа должны быть таковы, чтобы он равномерно распределялся в металле исследуемой детали.
Прогнозирование показателей надежности по критерию износа.
С достаточной для практических целей точностью характеристики надежности изнашивающихся деталей могут быть получены при рассмотрении идеализированной модели процесса износа, предполагающей, что кривые износа отдельных деталей представляют собой
ровные линии зависимости износа во времени.
Упрощенная модель процесса изнашивания детали до предельного состояния приводится в работе [19] и на рис. 4.4. На нем показаны отдельные кривые износа однотипных
деталей. Предполагается, что по достижении износа, равного предельно допустимому
И ПР, ресурс детали исчерпывается и наступает состояние отказа.
Из–за различия кривых наблюдается рассеивание ресурса R. Случайные величины ресурса R имеют плотность распределения f R{t). Ипр
является детерминированной величиной, перемешивание реализаций незначительно.
Подобная модель может быть использована
для приближенного описания всех видов изнашивания, за исключением усталостного выкрашивания и схватывания [19]. В общем случае
135
зависимость износа детали как случайной функции наработки может быть представлена в
виде
И(t) = аИ t β + bИ.
(4.18)
Экспериментальные исследования изнашивания деталей машин позволяют считать
коэффициент β уравнения динамики износа детерминированной величиной для определенного конструктивного решения деталей.
Рис. 4.4.Учет износа деталей [19]
При отсутствии фактических данных значения β могут быть приняты по справочным
данным, например: для учета износа посадочных гнезд корпусных деталей и втулочно–
роликовых цепей β=1,0; для износа зубьев шестерен (по толщине), звездочек и радиального износа в подшипниках качения β= 1,5.
Случайная величина аИ зависит от свойств поверхностей деталей, условий работы.
При коэффициенте вариации величины аИ находится в пределах VεИ = 0,1 – 0,4, поэтому
можно с достаточной точностью принимать, что она подчиняется нормальному закону
распределения. При VεИ >0,4 можно принимать, что величина аИ подчиняется распределению Вейбулла.
Величина hИ характеризует износ детали по окончании приработки. Эта величина
зависит от чистоты обработки, твердости трущихся поверхностей, величины начального
зазора в сопряжении, режимов приработки.
В связи с относительно небольшими изменениями И(t) в период приработки по
сравнению с Ипр вариациями показателя bИ можно пренебречь и считать его детерминированной величиной.
В большинстве случаев величина деталей в период их приработки не превышает величины допуска на их изготовление. Это позволяет при расчетах величиной износа дет али в период приработки пренебречь и за начальный размер детали принимать, например,
для валов – нижний предельный размер по чертежам, для отверстии – верхний предельный размер по чертежам и т. п. В связи с этим зависимость износа детали от времени
приближенно может быть выражена следующим образом:
И(t) = аИ t β .
(4.19)
Определение характеристик изнашивания. Показатели долговечности и безотказности изнашиваемых элементов определяются характеристиками изнашивания в виде
среднего значения m коэффициента аИ (m аИ) и дисперсии D коэффициента аИ , то есть
(DаИ).
Эти характеристики могут быть определены расчетным и экспериментальным путём.
Рассмотрим расчетный путь.
Из–за многообразия факторов, влияющих на износ деталей, их взаимосвязей и нелинейной зависимости, сложно получить достаточно строгое выражение износа элементов
на базе физических закономерностей. Поэтому в практике широкое распространение получили полуэмпирические и эмпирические закономерности, отражающие влияние наиболее важных факторов для конкретных видов износа.
Среди эмпирических формул наиболее часто встречается зависимость [19]
И = аИ t β = k И X 1 m X 2 n X 3 c X 4 k t β .
(4.20)
К зависимостям вида (4.20) отнесят уравнение износа закрытых зубчатых передач
различного типа при наличии в масле абразива.
Рассмотрим в качестве примера уравнения линейного износа детали при трении
скольжения без смазки и при отсутствии абразивных частиц. Зависимость (4.21) получена
исходя из усталостной гипотезы износа поверхности деталей [3]:
И = аИ * L = k И * (h/R)1/2 * (ра/рт ) * (1/п и) * L,
136
(4.21)
где k И – множитель, определяемый геометрической конфигурацией и расположением
по высоте единичных неровностей на поверхности твердого тела (k И =
0,15...0,21);
h/R – отношение глубины внедрения шероховатости в гладкую поверхность к среднему радиусу R неровности (h/R <10–l...10–2 );
ра/рт – отношение номинального давления на контакте к фактическому давлению
(ра/рт =10–l...10–4);
1/пи – характеристика способности материала к разрушению при повторном воздействии, (1/пи = 10–2 ...10–12);
аИ – безразмерная интенсивность износа (аИ =10–2 ...10–12 );
L – путь трения, мм.
Для прямозубых передач с эвольвентным зацеплением с допущением предположения о равномерном распределении абразивных частиц в масле, а также об отсутствии
влияния на износ нагрузки для тяжелонагруженных передач рекомендуются в работе [19]
зависимости
(4.22)
И 1 и И2 – соответственно износ шестерни и ведомого колеса, мкм;
Rа – средний радиус абразивных частиц в масле, мм;
εК – объемная концентрация абразивных частиц радиусом R в зоне трения, %;
σпр – условное напряжение разрушения абразивной частицы, МПа;
Н1 и Н2 – соответственно твердость материала рабочей поверхности шестерен и колеса по Бринеллю, МПа;
т – модуль передачи, мм;
αд – угол зацепления, град;
z1 и z2 – соответственно число зубьев шестерен и колеса;
пч1 и пч2 – частота вращения шестерни и колеса, мин –1 ;
δy1 и δy2 – относительное удлинение материала шестерни и колеса при разрыве, %;
s – коэффициент усталости материала;
yИ1 и yИ2 – коэффициенты, учитывающие характер распределения износа по профилю зуба шестерни и колеса;
t – наработка передачи, ч.
Для большей точности расчетов по уравнениям (4.22) можно рекомендовать определять износ для каждой фракции абразивов, а затем проводить суммирование.
Учитывая случайный характер изменения значений факторов для «типичных» условий, считают, что параметр функций И(t) является функцией случайных аргументов
αи = f ( k 1 , X1 , X2 , …, Xn , n, m, … ) = φ ( Y1 , Y2 , … , Yn ). (4.23)
Причем в общем виде функция (4.23) нелинейна.
Рассматриваемая задача, таким образом, сводится к получению характеристик mаИ и
дисперсии DаИ в соответствии с величинами математических ожиданий и дисперсий отдельных факторов и коэффициентов.
Предполагается, что вероятностные характеристики отдельных факторов известны.
В конечном виде аналитическое решение задач для нелинейной функции (4.23) представляется довольно сложным.
С достаточной для практики точностью получение значений m аИ и DаИ может быть
137
выполнено с помощью метода Монте–Карло, предусматривающего моделирование случайных аргументов функции (4.23).
Приближенное определение вероятностных характеристик функции (4.23) может
быть выполнено путем разложения ее в ряд Тейлора и применения теорем о числовых характеристиках случайных величин.
Рассмотрим некоторые особенности дорожных и лабораторных испытаний машины
для определения износостойкости его деталей.
Эксплуатационные испытания. Испытания машины для определения износостойкости её деталей проводятся с целью установления абсолютной величины износа исследуемых деталей в выбранных конкретных условиях эксплуатации, а также с целью выявления тех главных факторов, от которых зависит интенсивность износа.
Выбор условий эксплуатации имеет особое значение для проведения испытаний,
например на песчаных грунтах детали ходовой части машин в большей степени подвергаются воздействию различных абразивных частиц.
Различными заводами–производителями дорожных и строительных машин для испытаний выбираются разные климатические зоны страны, где имеются соответствующие
грунтовые условия, поэтому единой методики проведения таких испытаний в настоящее
время нет.
Так, из всех агрегатов и деталей строительных технологических машин, подверженных
в той или иной степени изнашиванию в процессе работы, следует особо выделить рабочие
органы, отличающиеся повышенными коэффициентами трения это тормоз и сцепление. Оба
эти агрегата испытываются на износо- и теплостойкость.
Типичным испытанием этих агрегатов на износостойкость является испытание их на
автомобиле в условиях интенсивного городского движения с большим числом троганий с
места и резких торможений.
Тормоза машины – базы испытывают на тепло– и износостойкость в экстремальных
условиях, например в горных условиях, затяжных спусках или в пыльных условиях строительства объекта. Обычно при таких испытаниях определяют не абсолютный износ, а так
называемую «безотказность тормозов» при их длительном нагружении (экстремальной
нагрузке). Полученные результаты сравнивают с результатами эксплуатации тормозов других аналогичных моделей машин.
При испытании фрикционных материалов (сцепления, тормозов) необходимо регистрировать температуру, так как от нее в значительной степени зависят свойства этих материалов.
Некоторые фрикционные материалы, сохраняя стабильные показатели при нормальной
и повышенной температуре, при достижении некоторой критической температуры сразу
разрушаются.
Температуру на поверхности трущихся пар также следует измерять в условиях сложной эксплуатации, причем наиболее тяжелых для данного механизма и характерных узлов
автомобиля. Температуру необходимо измерять на поверхности, которая наиболее сильно
нагревается. Например, в однодисковом сцеплении температура со стороны нажимного
диска обычно выше, чем со стороны маховика, из–за меньшей массы нажимного диска по
сравнению с массой маховика.
Лабораторные испытания. Лабораторные испытания механизмов и деталей машин на
износ проводят с целью выявления влияния на износостойкость свойств материала, термообработки, а также основных свойств смазки и параметров внешней среды.
Для определения усталостных износных используют специальные испытательные
установки, например, цикломер для испытания фрикционных материалов, рис. 4.5.
Для оценки качества различных фрикционных материалов в лабораторных условиях
проводятся не только испытания образцов, но и испытания фрикционных накладок неп осредственно на деталях, смонтированных в соответствующих механизмах (сцеплении и тормозных механизмах) при повторных включениях и выключениях.
138
Схема инерционного стенда, предназначенного для испытания фрикционных накладок
в собранном сцеплении, приведена на рис. 4.6.
Рис. 4.5. Установка для испытания фрикционных материалов
Рис. 4.6. Общий вид инерционного стенда для испытания фрикционных накладок
в собранном сцеплении
Работа стенда. На ведущем валу стенда установлен барабан 4, внутри которого
расположен колодочный тормоз с рычагом для ручного управления. Испытываемое сцепление нагружают, соединяя с валом 20 различные маховые массы, эквивалентные массе
испытываемого автомобиля. Маховые массы 18, 21 и 22 имеют постоянный момент инерции, а масса 19 – переменный. Включение сцепления происходит путем подачи жидкости
в гидравлический цилиндр, шток которого преодолевает силу пружины рычажного механизма. В процессе включения сцепление буксует и разгоняются маховые массы ведомой
части стенда.
Когда угловые скорости ведущей и ведомой частей стенда становятся одинаковыми,
буксование сцепления прекращается. В этот момент гидравлический цилиндр опорожняется, сцепление выключается под действием пружины рычажного механизма и одновременно включается дисковый тормоз 23, который затормаживает ведомую часть стенда.
Управление дисковым тормозом совершается также гидравлическим путем, для чего
служат трубки 24. После этого цикл включения сцепления и его буксования повторяется
снова. Два таходинамо 1 и 16 служат для определения угловой скорости ведущей и ведомой частей стенда.
Ведущий вал посредством телескопического вала 8 и двух зубчатых муфт 7, компенсирующих возможные перекосы, соединен с валом подвижной опоры 10. Последнюю при
помощи маховичка 9 можно перемещать по специальным салазкам вдоль оси стенда, что
позволяет монтировать на стенд различные сцепления.
Инерционная масса 5, вал которой установлен в опорах 3 и 6, разгоняется при помощи электродвигателя (не показанного на рисунке), связанного с валом стенда клиноременной передачей 2. При испытании сцеплений, например, грузовых баз–автомобилей
ЗИЛ инерционная масса 5 с моментом инерции 416 кг–м2 разгоняется электродвигателем
до угловой скорости 200 рад/с.
139
Испытываемое сцепление 11 с маховиком и кожухом устанавливают на валу подвижной опоры 10. Шлицевой конец вала сцепления (первичного вала коробки передач)
крепят к фланцу 12 вала неподвижной опоры 14, который соединен с фланцем 12 через
шлицевую муфту 13 соединяется торсионный датчик 15, а с валом 20 нагрузочных маховых масс – торсионный вал датчика 17 крутящего момента.
Каждый из шести дисков массы 19 может быть связан с общим корпусом, вследствие
чего изменяется общий момент инерции этой массы. Массы 18, 19, 21 и 22 свободно посажены на вал 20 и могут быть связаны с ним в любом сочетании.
При этом можно подобрать массу, эквивалентную приведенному моменту инерции
JB автомобиля при заданном передаточном числе трансмиссии автомобиля, в соответствии с формулой
JB = (Ма * rк2 ) / ( i0 2 * iK.П2 ),
(4.24)
где Ма – масса машины; rк – радиус качения колеса; i0 – передаточное число главной
передачи; iK.П – передаточное число коробки передач.
Эта формула не учитывает влияния моментов инерции колес машины, вращающихся
частей его трансмиссии, а также потерь в трансмиссии и сопротивления качению колес
автомобиля. Поэтому окончательный выбор инерционных нагрузок должен быть уточнен
при пробной работе стенда. Приведенный момент инерции ведомой части стенда может
меняться от 6,5 до 153 кгм2 .
Разгон ведущей части стенда до заданной угловой скорости осуществляется при неподвижной его ведомой части. Испытываемое сцепление выключается специальным рычажным механизмом с сильной пружиной. Управление стендом автоматизировано. Циклы
включения и выключения сцепления могут повторяться многократно, что позволяет испытывать сцепления на износ.
Автоматическое управление стендом и поддержание заданного режима испытаний
осуществляются специальной электрогидравлической системой. Темп включения сцепления можно изменять в достаточно широких пределах. При выборе темпа включения необходимо опытным путем установить время разгона инерционного привода и время торможения приведенной массы.
Следует также иметь в виду, что тепловые и нагрузочные режимы работы сцепления
на машине и на стенде различны, а износостойкость фрикционных материалов тесно связана с температурными условиями. Эти обстоятельства надо учитывать при выборе темпа
включения сцепления при испытании его на стенде.
На машине цикл работы сцепления может достигать 10–12 с, тогда как в условиях
стендовых испытаний цикл работы обычно не меньше 100 с.
Во время испытаний на стенде регистрируются следующие величины: угловая скорость ведущей части стенда; суммарное число оборотов ведущих элементов сцепления за
весь период буксования; суммарное число оборотов ведомых элементов сцепления; время
буксования сцепления при каждом включении за весь цикл испытаний; число включений
сцепления за весь цикл испытаний; температура рабочих поверхностей сцепления.
Надо помнить, что основными мероприятиями, уменьшающими темпы износа деталей при эксплуатации машины, являются следующие:
– наличие в системах чистых смазочных материалов, а при необходимости замена и
доливка масла в двигатель, коробку передач, задних мостах, замена и добавка масла в
ступицы колес и другие работы;
– своевременное и качественное выполнение крепежных, регулировочных (регулировка клапанов и натяжения цепи двигателя, углов установки колес, подшипников ступиц
колес и т. п.);
– замена или очистка фильтров (воздушных, масляных, топливных), препятствующих
попаданию на трущиеся поверхности деталей абразивных частиц; – постоянные контроль и
140
замена защитных чехлов;
– своевременное восстановление защитного покрытия днища кузова, а также установка подкрылков, защищающих арки колес.
На изменение технического состояния машины существенное влияние оказывают
условия эксплуатации, поэтому необходимо учитывать влияние следующих факторов:
– дорожные условия (техническая категория дороги, вид и качество дорожного покрытия, уклоны, подъемы спуски, радиусы закруглений дорога), а также условия на строительном объекте;
– условия движения (интенсивное городское движение, загородные дороги);
– климатические условия (температура окружающего воздуха, влажность, ветровые
нагрузки, солнечная радиация);
– сезонные условия (пыль летом, грязь и влага осенью, весной);
– агрессивность окружающей среды (пыль в котловане или на строящемся объекте,
морской воздух зоны побережья, соль на дороге в зимнее время, усиливающие коррозию);
– транспортные условия (загрузка машины);
– профессиональные навыки водителя; – социум и другие.
Таковы особенности эксплуатационных испытаний ТС МИК, их надежности и работоспособности.
Некоторые методы и средства повышения износостойкости деталей машин. Существующие методы повышения износостойкости деталей техники определяются этапами
их применения: при проектировании, изготовлении или эксплуатации дорожных и стро ительных машин. Например, сопротивляемость машин внешним воздействиям зависит от
прочности, жесткости и износостойкости их узлов, то есть необходимо создавать более рациональные конструкции, подвергающиеся меньшим нагрузкам.
Износостойкость различных узлов определяется правильным подбором материалов
для узлов трения, твердостью контактирующих поверхностей, уменьшением давления трения, улучшением условий смазывания, качеством поверхностей деталей.
Для повышения износостойкости деталей необходимо правильно подобрать материал
трущихся деталей. Выбор конструктором материала производится с учетом эксплуатационных показателей, условий контакта и применяемой смазки.
Важным способом обеспечения высокой долговечности трущихся деталей является
стабильность исходного материала с малым рассеиванием его основных показателей. Так,
рациональный выбор материала для автомобильной базы строительной технологической
машины, сократился почти вдвое например, износ шеек коленчатых валов, изготовленных
из магниевого чугуна, для двигателя внутреннего сгорания по сравнению со стальными
коленчатыми валами двигателя предыдущей модели машины, что позволило в несколько
раз повысить износостойкость детали.
Важно также применение изоляции деталей машин от вредных воздействий, которое
включает в себя защиту их поверхностей от пыли и грязи, создание для различных механи змов специальных температурных условий, применение антикоррозионных покрытий и т.д.
Так как износостойкость трущихся поверхностей в большой мере зависит от твердости
их поверхностного слоя, то требуются совершенные технологии обработки деталей машин.
Большое значение имеет выбор технологий финишных операций, например алмазная расточка вместо хонингования при ремонте двигателя.
Повышение долговечности трущихся деталей достигается также конструктивными мероприятиями, а также повышением качества изготовления и рядом технологических мероприятий, в том числе: пластическим деформированием, термической, химико-термической и
химической обработкой рабочих поверхностей деталей, металлизацией.
Увеличение твердости поверхностей трения и повышение усталостной прочности деталей достигается закалкой, химико-термической обработкой, пластическим деформированием, нанесением износостойких наплавок и покрытий.
141
В процессе изнашивания исходная твердость может уменьшаться до некоторой оптимальной величины, которая сохраняется до конца изнашивания, поэтому для повышения
твердости поверхностного слоя стальных деталей применяются такие методы, как цианирование, азотирование, поверхностная закалка.
Помимо термообработки рабочих поверхностей деталей, применяется химическая обработка рабочих поверхностей для повышения их износостойкости: оксидирование, фосфатирование и сульфидирование.
Создание неметаллических защитных пленок на поверхности металлических деталей
фосфатированием, сульфидированием и другими методами повышает их износостойкость в
10 и более раз.
Одним из самых эффективных методов повышения износостойкости стальных деталей является электролитическое хромирование.
Кроме термической и химической обработки, повышение износостойкости рабочих поверхностей достигается методами упрочняющих технологий.
Износостойкость при этом увеличивается вследствие повышенной твердости поверхностного слоя деталей.
Формирование остаточных напряжений сжатия, например, при наклепе детали, способствует образованию поверхности более высокого качества, к тому же можно добиться
улучшения геометрии поверхности.
В литературе приводятся показательные примеры повышения долговечности изнашивающихся деталей. Так, при проектировании модернизированных коробок передач отечественных автомобилей на заводе ГАЗ для повышения долговечности и снижения хрупкости шестерен сталь 40Х была заменена сталью 53Х (с суженными пределами содержания
углерода) с одновременным повышением твердости с HRC 48–53 до HRC 58.
В результате этого при пробеге автомобилем до 130 тыс. км боковые поверхности зубьев наиболее нагруженной малой шестерни первой передачи имеют износ (по толщине зуба)
не более 0,025 мм, а на зубьях прочих шестерен износ практически отсутствует [15].
Для повышения износостойкости шлицевого соединения скользящей шестерни первой
и второй передач коробки автомобиля введение посадки шестерни на вторичный вал по
внутреннему диаметру позволило точнее обработать посадочную поверхность шлицев при
увеличении их твердости с HRC 20–40 до твердости HRC 52.
Износостойкость деталей машин повышается за счет использования топлива с пон иженным содержанием серы, синтетических масел с эффективными противоизносными, антикоррозионными и другими присадками.
Наличие автоматических и электронных устройств, обеспечивающих саморегули рование, повышает приспосабливаемость строительной технологической машины к изменяющимся условиям работы.
Обеспечение надежности автомобилей при их эксплуатации базируется на теории эксплуатации технических объектов [14], то есть науке о закономерностях, присущих состояниям технических объектов, структуре характерной для организационных систем.
При этом важное место отводится совершенствованию методов исследования эксплуатационных показателей.
Основные направления использования методов теории эксплуатации включают: технологическую подготовку объектов к использованию; расходование ресурсов объектов; техн ическое обслуживание и ремонт; обеспечение условий при хранении, транспортировании, и спользовании машины; обоснование и корректирование системы эксплуатации (нормативным
показателям); управление системой эксплуатации при ее функционировании.
Теория эксплуатации решает многообразные задачи обоснования, исследований, разработки и корректировки, в том числе следующие:
– эксплуатационного облика технического объекта при его проектировании и изготовлении;
142
– нормативных эксплуатационно-технических показателей объектов, эксплуатируемых
в различных режимах;
– средств эксплуатации и структуры исполнителей; показателей структуры и управления системой эксплуатации.
Основными разделами теории эксплуатации являются:
– исследования эксплуатационно-технических характеристик объектов на всех стадиях
их жизненного цикла;
– разработка и исследования моделей систем эксплуатации;
– исследования подсистем подготовки объектов к использованию и подсистем использования, предупреждения отказов, восстановления работоспособности;
– исследование технологических процессов эксплуатации объекта;
– исследования управления эксплуатацией (планирования, принятия оперативных решений, анализа состояния системы эксплуатации и разработки управляющих воздействий).
Основными являются вопросы, относящиеся к эксплуатационно-техническим характеристикам объектов, техническому обслуживанию и ремонту. Научную основу этих разработок составляют модели состояний объектов. Наиболее актуальными являются исследования
системы и совершенствование эксплуатации технических объектов.
Это обусловлено тем, что получаемые оптимальные результаты при автономном и сследовании технического обслуживания, ремонта и других составляющих технической эксплуатации соответствуют оптимальному функционированию системы эксплуатации в целом,
при этом вырабатываются мероприятия, обеспечивающие повышение работоспособности
строительных технологических машин.
При этом полезны модели, которые отражают функционирование системы эксплуатации. Они учитывают возможность нахождения объекта исследований в различных функци ональных подсистемах строительной и дорожной техники, причем как в разных условиях, так
и с использованием новых конструкций, материалов.
Построенная функциональная модель учитывает связь вероятностных частных показателей со стоимостными затратами. При этом учитываются вероятности нахождения объекта
в i–й функциональной подсистеме и в состоянии работоспособности. Все это позволяет оценить систему эксплуатации с помощью интегрального показателя эффективности производственной системы. Для решения указанной задачи оценки эффективности системы эксплуатации на основе функциональной модели может быть использован аппарат математического
описания, присущий марковским, полумарковским и имитационным моделям.
Однако указанная функциональная модель носит обобщенный методологический характер. На ее основе рассматриваются лишь аналогичные модели для объектов различных
классов и соответствующих режимов эксплуатации. При анализе системы эксплуатации результаты исследования каждой из таких моделей обобщаются.
В зависимости от необходимой степени детализации исследования функциональные подсистемы могут представляться не одним, а несколькими структурными элементами, например,
функциональные подсистемы по видам технического обслуживания, видам ремонта и др.
Одной из разновидностей функциональной модели может быть модель, интерпретирующая состояния объекта как нахождение его в соответствующих режимах эксплуатации или
при соответствующих эксплуатационно–технических процессах.
Моделирование и количественная оценка эффективности системы эксплуатации позволяют оптимизировать ее структуру и нормативные показатели эксплуатационно–
технических процессов.
В исследовании моделей систем эксплуатации существенную проблему представляет
установление зависимостей части временных и вероятностных показателей от затрат на
143
функциональные подсистемы и затрат, связанных с периодичностью, сроками и объемами
выполненных работ по поддержанию или восстановлению работоспособности.
Указанные методы моделирования эффективны, но в своем большинстве они несколько отдалены от практики и весьма дороги, так как требуют высокопрофессиональных спец иалистов. Поэтом традиционно применяются экспериментальные и лабораторные методы
исследований. В частности, на практике хорошо себя зарекомендовали исследования
по определению износа.
В соответствии с системной концепцией повышения надежности машин на стадии
эксплуатации должен постоянно поддерживаться уровень запланированной надежности,
который надо постоянно повышать.
Контрольные вопросы
1. Укажите основные этапы эксплуатации.
2. Что такое работоспособность машин?
3. Что такое ввод в эксплуатацию машины?
4. Что такое поддержание в готовности машин?
5. Что такое система эксплуатации машин?
6. Что такое условия эксплуатации машин?
7. Что такое ожидание использования по назначению машин?
8. Что такое лидерная эксплуатация машин?
9. Что такое реальная эксплуатация машин?
10. Что такое нормальная эксплуатация машин?
11. Что такое снятие с эксплуатации машин?
12. Что такое технический сервис машин?
13. Что такое организация эксплуатации машин?
14. Что такое общее планирование эксплуатации машин?
15. Что такое эксплуатационно – техническое решение ?
16. Что такое технический сервис машин?
17. Что такое ресурс машины?
18. Что такое комплекс эксплуатационных свойств машины?
19. Что такое безопасность машины?
20. Что такое антропометрические показатели?
21 Что такое энергоэффективность машин?
22. Что такое проходимость машины? Рассказать о показателях проходимости.
23. Какое влияние оказывают физико-химические процессы на качество машин?
24. Перечислите объемные и поверхностные повреждения машины.
25. Что является структурными параметрами строительной технологической машины?
26. Что такое система качества продукции?
27. Расскажите о методах определения показателей качества машин.
28. Что такое показатели качества эксплуатации машин?
29. Что такое качество машины строительного комплекса?
30. Как подразделяются показатели качества по числу характеризуемых свойств?
31. Какие виды повреждений элементов строительной технологической машины Вы знаете?
32. Что такое изнашивание?
33. Какие процессы сопровождают трение и изнашивание?
34. Перечислите виды и механизмы изнашивания.
144
35. Расскажите о видах трения. В чем их отличия?
36. Расскажите о коррозионно-механическом изнашивании
37. Что называется химической адсорбцией?
38. Какие методы определения износа Вы знаете?
39. Как определить предельные размеры изнашивающихся деталей.
Глава 5. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ МАШИН
5.1. Основные термины и определения надежности технических систем
При рассмотрении и оценке комплекса строительных машин, отдельных машин, оборудования, их узлов и деталей с позиций эффективной эксплуатации требуются единые понятия, относящиеся к техническим системам в области надежности. Поэтому объекты, имеющие целевое назначение, рассматриваются в периоды проектирования, производств а, эксплуатации, исследований и испытаний, причем всесторонне, в том числе на надежность.
Современные технические системы, какими являются машины строительного комплекса, предназначены для выполнения технологических задач разного назначения, включая
функции управления, контроля и регулирования технологических процессов, перевозки.
Все машины должны не только точно функционировать, но и быть надежными и долговечными в работе.
Строительным технологическим машинам требуется высокая надежность. Укажем некоторые положения теории надежности, чтобы применить их к дорожным, строительным и
коммунальным машинам. Независимо от отрасли, основы теории надежности едины для всех
технических систем.
Объекты делят на два класса: восстанавливаемые (которые при отказе могут быть восстановлены) и невосстанавливаемые (которые при отказе не могут быть восстановлены или
не подлежат восстановлению).
Принято, что объекты находятся в двух состояниях: работоспособном и неработосп особном. Под работоспособностью понимается состояние объекта, при котором он способен
выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно–технической документацией (стандартами, техническими условиями).
Представим основные положения и термины этого направления.
Работа любой машины строительного комплекса происходит при существенно изменяющихся внешних воздействиях, обусловленных многочисленными и разнообразными факторами. Взаимодействуя с потенциальными свойствами машин, внешние воздействия фо рмируют качественные и прочие показатели их работы. Указанное явление можно отражать
информационной моделью, построенной по принципу «вход — выход» (рис. 4.4).
Входные переменные образуют вектор–функцию внешних воздействий
X=[ x 1 (t), x 2 (t), .... x n (t)].
145
Выходные переменные представляют в виде вектора–функции показателей работы
машины Y =[ y1 (t), y2 (t), .... yn (t), который показывает, как работает машина в реальных условиях эксплуатации.
Характерной особенностью внешних воздействий является то, что они чаще всего
имеют статистическую природу. Составляющие вектора X представляют собой случайные
функции (процессы) воздействия на машину и даже случайные поля, то есть случайные
функции нескольких переменных.
Изменяются также во времени потенциальные свойства машины. Составляющие вектора Y – выходные переменные yn определяют показатели работы машины и являются также
случайными функциями времени.
Наиболее полная статистическая оценка, составляющих векторов X и Y включает в себя
совокупность следующих числовых характеристик определяющих внутреннюю структуру
процессов [19]:
– средние значения ту(х);
– дисперсии Dу(х);
– коэффициенты вариации Vу(х);
– параметры корреляционной функции К у(х) (t 1 , t 2 ) ;
– параметры спектральных плотностей Фту(х) (ώ).
Укажем отдельные элементы, составляющие основу информационной модели. Так,
внешние воздействия определяются такими наиболее важными факторами, как природные
условия (холод, тепло, песок, вечная мерзлота, рельеф местности), взаимозависимость режимов работы с объектами природы (каменистый грунт или снег). Основные показатели, определяющие природные условия, могут быть определены прямым или косвенным путем.
Потенциальные свойства машины. Под свойством машины следует понимать объективную особенность, проявляющуюся при ее создании и эксплуатации. Обычно свойства
машины проявляются при взаимодействии с другими объектами и внешними факторами.
Каждая машина имеет множество свойств, образующих иерархическую совокупность в п орядке 5–7 уровней. Принято считать, что самый высокий (начальный) уровень иерархической совокупности свойств – это качество как некоторое наиболее обобщенное, комплексное
свойство машины.
Составляющие качества – его менее обобщенные свойства, рассматриваются на первом
уровне иерархии. Ими являются экономичность и безопасность.
На этом уровне иерархической системы свойства качеств, свойство экономичности
рассматривается как реализуемое в сфере эксплуатации. Но в тоже время указанное свойство
в значительной мере для всех строительных машин связывают с основой, которая характеризуется надежностью. Поэтому влияние надежности сказывается в основном на эксплуатац ионных затратах и на убытках, вызванных простоями.
Но так как по мере их эксплуатации в системе наблюдается тенденция уменьшения
уровня надежности машин, то в итоге имеем ситуацию, приводящую к уменьшению экономического эффекта от эксплуатации объекта.
Причинами такой закономерности являются простые и сложные взаимосвязи, в том
числе следующие отдельные факторы: уменьшение средних ресурсов элементов при последующих их заменах вследствие нарушения приработки, деформации несущих элементов, и скажения размерных цепей; увеличение количества запасных частей, достигших предельного
состояния; повышение затрат на техобслуживание и диагностирование и др.
На интенсивности изменения эксплуатационных затрат во времени сказывается качество ремонта, техобслуживания и управления машиной.
В свою очередь каждое из этих свойств также может состоять из некоторого числа еще
менее общих свойств, лежащих на следующем низком, втором уровне рассмотрения. Как
принято – это полезность и надежность.
Последние определяют третий уровень. Например, у надежности есть четыре основных направления: безопасность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. У
146
всех их есть ещё более нижний уровень, в данном случае это пятый уровень. Так, у долговечности есть основы в виде сопротивляемости разрушению, износу и коррозии; стабильности физико-механических свойств, а также стабильность рабочих процессов.
При этом необходимо иметь в виду, простые свойства являются таковыми только в
данный момент, при данном уровне знаний общества. С прогрессом науки свойства, считавшиеся ранее простыми, становятся разложимыми на другие, еще общие свойства и, таким
образом, переходят из разряда простых в разряд более сложных.
Ранее мы исследовали понятие и влияние на эксплуатационные показатели качества
машин, поэтому опять укажем, что под качеством машины понимается совокупность всех ее
свойств, обусловливающих пригодность удовлетворять потребность в соответствии с назначением объекта.
Термин надежность машины, в общем понимании характеризует её способность выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатацио нных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.
Есть определение надежности по ГОСТ. Оно таково.
Надежность – это свойство любого объекта или её составной части, сохранять во
времени в установленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технич еского обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.
Данное определение приемлемо для любой технической системы, включая строительные машины технологического назначения.
При этом требуемые значения эксплуатационных показателей для определенного вида
машин и определенного интервала времени, а также условий работы должны приводиться в
нормативной документации. Эксплуатационными показателям являются производительность, скорость, стоимость по времени эксплуатации и другие.
Для показателей надежности машины в соответствии с обусловленным третьим уровнем иерархий есть свои показатели.
Надежность является комплексным свойством строительной машины технологического назначения и его составных частей и включает в себя, как указывалось раньше, свойства
безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.
Безотказность – это свойство машины или её составной части сохранять работоспособность в течение определенного времени или пробега без вынужденных перерывов для
устранения отказов (некоторой наработки).
Нарушение работоспособности машины может произойти вследствие отказов. Призн аки (критерии) отказов устанавливаются нормативно–технической документацией на данный
объект–машину. Более подробно отказы машин строительного комплекса рассмотрим ниже.
В свою очередь безотказность характеризуется совокупностью ее простых свойств четвертого уровня: – сопротивляемостью элементов конструкции разрушению, износу, коррозии; – стабильностью физико-механических свойств конструкционных материалов изделий;
– стабильностью рабочих процессов агрегатах и системах.
Свойства сопротивляемости проявляются в частичном или полном разрушении деталей
и их поверхностей, а также в появлении недопустимых деформаций. Отметим, что степень
разрушения и деформации определяется множеством факторов конструктивного характера, в
том числе материалом и степенью его упрочнения, конфигурацией деталей, наличием предохранительных устройств устраняющих большие нагружения и исключающих чрезмерную
нагрузку конструкции, ошибки оператора и др.
Следующая группа свойств проявляется в частичном или полном нарушении рабочих
функций. Примерами являются снижение упругих свойств уплотнений или смазочных качеств масел под воздействием низкой температуры, усадка пружин и другие. Изменение стабильности выходных характеристик рабочих процессов в агрегатах машин сказывается,
например, на уменьшении мощности дизеля вследствие засоренности топливной системы,
147
уменьшении производительности гидронасоса из–за изменения вязкости рабочей жидкости,
несрабатывании электрической защиты из–за повышения температуры воздуха в месте ее
расположения.
Проявления указанных свойств зависят преимущественно от состояния внутренней
среды системы (воздушной, топливной, гидравлической, масляной), изменяющейся под воздействием внешней среды и режимов рабочих процессов машины.
Перечисленными группами простейших свойств характеризуется также долговечность,
под которой понимается свойство машины сохранять требуемую работоспособность.
Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления
предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.
Определение показателей долговечности позволяет нормировать ресурсы и сроки
службы машин, систем и их агрегатов.
Наработка всех систем и объекта в целом от начала эксплуатации или ее возобновлении после определенного вида ремонта до наступления предельного состояния называется
техническим ресурсом машины.
В процессе эксплуатации строительная технологическая машина может находиться в
разных состояниях. Базовыми являются следующие состояния: исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное и предельном. Состояния объектов рассмотрим ниже.
Предельное состояние машины. Оно характеризуется невозможностью ее дальнейшей эксплуатации из-за неустранимого нарушения требований безопасности или неустранимого выхода заданных параметров за установленные пределы, неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой, необходимости проведения определенного в ида ремонта, нарушения рабочих функций.
Признаки (критерии) предельного состояния устанавливаются нормативно–
технической документацией на данную машину. На их сохранение или поддержание, а при
необходимости и восстановление направлена система технического обслуживания.
Для этого применяют планово – предупредительную систему технического обслуживания и ремонта машин.
В составе машин строительного комплекса можно различить три группы элементов и
объектов, отличающихся характеристиками предельных состояний, они таковы.
Группа А – это невосстанавливаемые элементы; К группе А относятся детали, которые
не восстанавливаются после первого отказа: изношенные фрикционные накладки тормозов и
муфт, пружины, подшипники качения, зубчатые колеса, уплотнения, вкладыши подшипн иков скольжения и др.
Предельное состояние объектов группы А наступает при возникновении первого отказа. К группе А могут быть также отнесены несложные узлы, которые нецелесообразно ремонтировать по разным причинам.
Группа Б – восстанавливаемые элементы и простые системы с конечным временем
восстановления. Группа Б включает детали, узлы и агрегаты машин, которые могут иметь в
эксплуатации более одного отказа. Работоспособность объектов этой группы до возникнов ения предельного состояния поддерживается регулировкой, очисткой, заменой элементов и
рядом подобных операций обслуживания.
Предельное состояние объектов данной группы наступает при возникновении отказа,
вызывающего необходимость восстановительного или капитального ремонта системы.
Группа В – сложные системы из элементов с конечным временем восстановления.
Группа В определяется машинами в целом. Работоспособность объектов рассматриваемой
группы до возникновения предельного состояния поддерживается в результате проведения
операций технического обслуживания и ремонта Предельное состояние объектов группы В
наступает при возникновении необходимости в их капитальном ремонте или списании машины. Из вышеуказанного вытекает другое понятие, связывающее состояние и время, это –
срок службы.
148
Сроком службы называется календарная продолжительность эксплуатации машины в
период ЖЦИ (от ее начала или возобновления после проведения определенного вида ремонта) до наступления предельного состояния.
Одним из важнейших свойств любой машины является ремонтопригодность, под которой понимается свойство конструкции, обеспечивающее её приспособленность к предупреждению возникновения отказов.
Ремонтопригодность (эксплуатационная технологичность) – это свойство строительной технологической машины или и её составной части, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и
поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.
Поясним, что приспособленность к ремонту и техобслуживанию определенного типа
машин в конкретных условиях проявляется везде и в работе и при ремонте. Количественно
ремонтопригодность определяется затратами времени, труда и средств.
Основными показателями ремонтопригодности и эксплуатационной технологичности
являются средняя продолжительность и средняя трудоемкость выполнения технического
обслуживания или ремонта, которые используют при нормировании работ и сравнении между собой различных строительных технологических машин.
Для характеристики ремонтопригодности и эксплуатационной технологичности и спользуется также ряд частных показателей, определяющих влияние конструктивных особенностей машины на трудоемкость и продолжительность его обслуживания и ремонта.
Среди важных свойств, определяющих ремонтопригодность машин, относятся: доступность, контролепригодность, легкосъемность, взаимозаменяемость, блочность и агрегатирование, степень унификации, количество смазываемых точек.
Рассмотрим ещё одно из важнейших свойств машины третьего уровня, каким является
ее сохраняемость. Традиционно под сохраняемостью подразумевается свойство сохранять
эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения или транспортирования,
установленного в технической документации.
Сохраняемость – это свойство машины или её составной части непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние, в первую очередь значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение хранения и после него и (или)
при транспортировании.
Сохраняемость характеризуется сопротивляемостью конструкции изменению характеристик элементов под воздействием влажности, атмосферного давления, облучения, загрязненности атмосферы, окружающей температуры и собственной массы при хранении.
Требуемые высокие показатели сохраняемости достигаются конструктивными и эксплуатационными мерами, в первую очередь, путем различных герметизаций, применением
специальных заглушек и пробок, нанесением защитных покрытий по наружной поверхности
узлов и машины, установкой на машине различных приспособлений и других мероприятий.
Общие показатели надежности машин. Показателями надежности машин строительного комплекса являются количественные характеристики проявления одного или нескольких свойств, составляющих надежность машины применительно к определенным промежуткам времени, режимам и условиям эксплуатации.
В общем виде показатели надежности машин классифицируют по ряду признаков. В
зависимости от сложности свойств различают комплексные показатели, характеризующие
совокупность свойств, и единичные показатели, характеризующие определенные свойства.
В зависимости от формы показателей различают абсолютные и относительные показатели.
Абсолютные показатели в форме численных характеристики получают в результате
измерений или вычислений. Их выражают в виде натуральных единиц (часов, кубических
метров, циклов), в стоимостном и трудовом исчислении (чел.–ч) и др. Некоторые из показа149
телей надежности могут не иметь размерности (например, вероятность безотказной работы).
Абсолютные показатели не выражают уровня проявления свойств.
Относительные показатели, равные отношению измеряемого (абсолютного) показателя к базовому, характеризующему определенное свойство выбранного эталона.
В зависимости от времени различают проектные, текущие и перспективные показатели надежности машин.
Проектные показатели закладываются в процессе проектирования объекта и проявляются в результате проведения необходимой расчетной и исследовательской работы еще задолго до того момента, когда объект начинает реально существовать, ( первой стадии ЖЦИ).
Текущими показателями надежности являются достигнутые в настоящее время (при
данной эксплуатации) показатели, то есть фактические, реально существующие.
К перспективным показателям относят показатели объекта, которые могут быть достигнуты в будущем в результате развития конструкции: модернизации, совершенствования
производства, эксплуатации и др.
С позиций весомости влияния на среднюю величину оценки функционирования объекта иногда используют основные и дополнительные показатели.
Основные показатели включают в стандарты, технические задания, а также используют при планировании производств.
Дополнительные показатели могут уточнять отдельные свойства или основные показатели. Их используют при исследовательских работах, анализе использования машин.
Перечень основных показателей надежности объектов указаны в Государственном
стандарте России.
5.2. Состояние и свойства. Наработки и отказы подсистем и машин
Под надежностью понимают свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя
во времени значения эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих
установленным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта,
хранения и транспортирования.
Показатели надежности имеют статистическую природу. Поэтому существуют обоснованные нормы и нормативная документация, где обычно приводятся максимальное, минимальное или среднее значение определенного показателя, которые обязательно регламентированы условиями эксплуатации объекта, технологиями определения и контроля тестируемых показателей. Большинство величин показателей надежности машин выражается в виде
наработки.
Под наработкой подразумевают продолжительность или объем работы объекта, измеряемые в часах, километрах, кубометрах или других единицах. Измеритель наработки объекта выбирают в соответствии с требованиями к точности опенки показателей, техническими
возможностями измерений и возможностями оценки взаимосвязи отдельных элементов.
Потеря работоспособности большинства деталей машины, происходящая вследствие
изнашивания и усталости, является функцией наработки. Исключением являются поломки от
внешних чрезмерных воздействий, перегрузок и разрушения поверхностей при заедании, а
также аварий.
Принято, что универсальным измерителем наработки для большинства машин может
быть астрономическое время (машино-час), соответствующее времени включения одного
или одновременно нескольких рабочих механизмов при выполнении вспомогательных или
рабочих операций.
В практике строительства существуют также еще два понятия машино-часа [19]. При
нормировании выработки в машино-часах измеряется продолжительность нахождения машины на площадке в течение смены, за исключением простоев, обусловленных случайными
факторами (по организационным причинам, из – за устранения отказов, устранения брака в
работе).
150
При разработке сметных норм в машино-часах измеряется продолжительность нахождения машины на площадке в течение смены с учетом всех видов простоев.
В качестве простого измерителя наработки машины используют показан ия счетчика
наработки, например двигателя внутреннего сгорания, в условных моточасах. При этом показания счетчика соответствуют астрономическому времени только при определенных оборотах коленчатого вала.
Наработка ряда механизмов периодического действия может отличаться от рабочего
времени машины. В этом случае при расчетах используют коэффициенты, характеризующие
временную загрузку механизмов относительно продолжительности работы машины или
времени смены.
Отказы строительных машин и их элементов. Одним из основных понятий теории
надежности машин является понятие отказа. В общем случае под отказом понимают такое
событие, которое заключается в «выходе из строя» какого–либо элемента или в нарушении
его работоспособности. Однако к определению отказа следует подходить на основе анализа
методов обслуживания и эксплуатации, применяемых для машин данного типа.
Отказом называют такое состояние объекта, при котором он полностью или частично
теряет свою работоспособность и не может выполнять заданные функции с параметрами,
установленными требованиями технической документации (стандартами, ТУ).
Время на восстановление работоспособности объекта в условиях эксплуатации в пределах сменного времени принято считать простоем.
Отказы существенно различаются:
– по характеру появления (внезапный, постепенный);
– по связи с другими отказами (независимый, зависимый);
– по возможности использования системы до устранения отказа;
– по наличию внешних признаков отказа;
– по причине возникновения отказа (конструкционный, технологический,
эксплуатационный);
– по времени возникновения отказа (в период испытаний, в период приработки, при
нормальной эксплуатации, в период после гарантированного срока эксплуатации);
– по последствиям отказа (с незначительным ущербом, со значительным ущербом, отказ–авария);
– по возможности устранения отказа.
В этом случае вводятся возможные виды отказов (например, отказы 1–го вида – сбой,
отказы 2–го вида – устойчивые устранимые отказы, отказы 3–го вида – неустранимые отказы–аварии и т. д.).
Состоянию отказа i–го вида соответствует альтернативное ему состояние работоспособности по отношению к отказам i–гo вида.
В другой классификации все виды отказов можно разделить на две группы:
1) из–за разрушения элементов машины;
2) вследствие нарушения качеств функционирования системы.
К первой группе относятся поломки, недопустимые деформации и износ элементов,
обрыв и короткие замыкания, расплавление и сгорание элементов электрических схем. Для
подавляющего большинства строительных машин и оборудования особого внимания заслуживают отказы первой группы из–за их массовости, а также значительной трудоемкости и
стоимости устранения. Поэтому им уделяют основное внимание.
Ко второй группе относятся нарушение регулировок, залипание и забивание рабочих
органов обрабатываемой средой, засорение гидравлической системы, течь в местах соедин ения шлангов, загрязнение или ослабление контактов электропроводки, ослабление креплений под действием вибрации, встречи с непреодолимым препятствием рабочего органа. Для
ряда машин в определенное время года при использовании в характерных районах существенное влияние на эффективность работы могут оказывать отказы второй группы (так, для
151
землеройных машин весной и осенью при работе на глинистых грунтах основная часть простоев вызвана залипанием грунтом рабочих органов).
В отличие от отказа следует различать понятие повреждение, которое означает событие, заключающееся в нарушении исправности объекта или его составных частей.
Повреждение может быть значительным или незначительным. Первое, как правило,
вызывает отказ объекта; второе означает нарушение исправности при сохранении работоспособности. Некоторые незначительные повреждения могут переходить в категорию значительных и тем самым приводить к отказу объектов. Наиболее общей причиной повреждений
второго типа является изменение параметров и характеристик элементов во времени, обусловленное происходящими в них физико-химическими процессами.
Отказ характеризуют причина, признаки, характер и последствия.
Причинами отказов могут быть дефекты, допущенные при конструировании, прои зводстве и ремонте, нарушение правил и норм эксплуатации.
Признаками (проявлениями) отказа называются непосредственные или косвенные воздействия на органы чувств наблюдателя явлений, характерных для неработоспособного состояния объекта, или процессов, с ним связанных.
К последствиям отказа относятся явления, процессы и события, возникшие после отказа и в непосредственной причинной связи с ним. Например, простои, выполнение текущего
или капитального ремонта.
Процесс возникновения отказа обычно обусловливается структурой и свойствами материала; напряжениями, вызванными нагрузкой, и часто также температурой. Процессы,
приводящие к отказам, могут быть классифицированы по ряду признаков, например, по месту протекания, по виду и характеру изменений, собственно по признакам и другие.
По месту протекания различают процессы, происходящие: в объеме материала элементов, на поверхности элемента, в сочленениях деталей (неподвижных и подвижных), в
функциональных цепях (электрических, гидравлических), связанных с взаимным влиянием
элементов подсистем.
Воздействующие при эксплуатации факторы влияют на процессы возникновения отказов по–разному: во–первых, они вызывают постепенное изменение характеристик и параметров элементов, во–вторых, при определенных значениях этих характеристик и параметров изменения интенсивности воздействия до некоторого критического уровня может наступать отказ элемента. Различают воздействия, влияющие на элементы независимо от того, работают они или выключены, и воздействия, возникающие в условиях активной работы элемента. К первым можно отнести: влажность, атмосферное давление, температуру окружающей среды, химический состав и загрязнение среды. Ко вторым – напряжение и ток установившихся и переходных режимов, выделяющееся в элементе тепло, механические нагрузки,
возникающие в самом работающем элементе при эксплуатации.
Процессы в объеме твердого тела и на его поверхности, способствующие появлению
отказов, обычно возникают и развиваются как локальные. В качестве наиболее общих физико-химических процессов, которые могут быть связаны с возникновением отказов, можн о
указать следующие:
– деформации и механическое разрушение различных материалов;
– тепловое разрушение элементов;
– структурные превращения в сплавах металлов;
– электролитические процессы;
– действие поверхностно–активных веществ;
– диффузионные процессы в объеме и на поверхности твердого тела;
– перемещение и скопление точечных дефектов и дислокаций в кристаллических твердых телах;
– разрыв химических связей цепей макромолекул полимерных материалов и др. Закономерности, характеризующие эти явления, представляют собой основу для построения общих физических моделей отказов и процессов их возникновения.
152
К объемным процессам также относятся временные воздействия эксплуатационных
факторов, что связано как с активной эксплуатации, так и с режимом хранения. Влияние
факторов, действующих при активной эксплуатации, зависит от режима эксплуатации: каким
является этот режим – непрерывным, циклическим, случайным, повторно–прерывистым или
одноразовым, установившимся или переходным.
В устройствах, подвергающихся длительному хранению перед эксплуатацией, постепенное изменение свойств и характеристик элементов при хранении может иметь решающее
значение.
Во многих случаях решающее влияние на возникновение отказов оказывают процессы
на поверхности тела, которая подвергается непосредственному воздействию окружающей
или рабочей среды, особенно агрессивной или от влаги, загрязнений.
К процессам, предшествующим появлению отказов, протекающим в местах подви жных и неподвижных соединений деталей машин, относятся различные ви ды износа, контактной коррозии и др.
Изменение физического состояния, свойств и характеристик элементов обычно обусловлено воздействием энергии и заключается в превращении одного вида энергии в другой.
Многие физико-химические процессы, связанные с возникновением отказов, являются
термически активируемыми процессами, то есть могут протекать только при определенном
уровне тепловой энергии. В одних случаях интенсивность процессов увеличивается при
нагревании тела, в других – при сильном охлаждении проявляются отказы из–за холодоломкости металлов. В целом, тепловые процессы играют значительную, порой решающую роль
в изменении свойств и характеристик элементов, процессов и старении.
По виду изменений, вызываемых в материале воздействующими факторами, различают
необратимые изменения (коррозия) и обратимые изменения (пример, деформация в пределах
упругости металлических деталей).
По характеру изменений во времени различают воздействия постоянные или закономерно изменяющиеся во времени и воздействия, являющиеся случайными функциями времени. Рассмотрим классификацию отказов машин и элементов по различным признакам.
По частоте отказов можно различать единичные отказы и отказы, повторяющиеся п
раз за определенный период наработки.
По последствиям отказы можно разделить на три категории:
 легкие, которые не вызывают остановки машины и могут быть устранены в удобное время (пример, разрушение прокладки, утечка масла);
 средние, вызывающие немедленную остановку объекта для ремонта;
 тяжелые, которые вызывают не только остановку объекта, но и могут
вызвать значительные разрушения.
По сложности устранения отказы объектов целесообразно делить на три группы:
устраняемые с использованием операции технического обслуживания; устраняемые путем
проведения текущего ремонта; устраняемые путем проведения капитального ремонта. Для
устранения отказов второй и третьей групп требуется участие ремонтного персонала, грузоподъемных средств и сменных запасных частей. Отказы этих групп в наибольшей мере сказываются на эффективности использования машин.
По способности к восстановлению работоспособности объекта можно различать: отказы, устраняемые в эксплуатационных условиях; отказы, устраняемые в стационарных
условиях. Такое деление является условным и определяется возможностями служб ремонта,
приспособленностью машины к ремонту и др.
По внешним проявлениям отказы делятся на явные и скрытые. К явным отказам относятся такие отказы элементов, на обнаружение которых тратится небольшое время – менее,
например, 15 мин (или другой установленной нормы). К скрытым относятся отказы элементов, на обнаружение которых требуется время свыше установленной нормы. Такие отказы
часто наблюдаются в гидро-, пневмо- и электросистемах машин.
153
По взаимосвязям между отказами различают первичные отказы, происшедшие по любым причинам, помимо действия другого отказа, и вторичные (зависимые), вызванные действиями другого отказа.
По условиям возникновения различают отказы, возникшие при хранении, транспортировании, на холостом пробеге, при выполнении объектом основных функций.
По уровню внешних воздействий различают отказы, возникающие при нормальных и
ненормальных условиях эксплуатации. К последним относится отклонение от правил техобслуживания и управления машиной, использование при недопустимых нагрузках и климатических условиях и пр.
По возможности прогнозирования различают отказы:
– прогнозируемые, возникновение которых зависит от возраста модели или наработки
(прогнозируемые отказы, обусловленные изменением параметра изделия);
– непрогнозируемые отказы. Прогнозирование отказов первого вида осуществляется
расчетным путем на основании параметров закона их распределения. В настоящее время все
большее распространение находят методы прогнозирования отказов, обусловленных постепенными изменениями параметров изделия, с помощью диагностических приборов.
По характеру изменения параметров изделия различают внезапные и постепенные отказы. Внезапный отказ возникает в результате внезапной полной потери работоспособности
(поломки от чрезмерной нагрузки, усталости материала), постепенный отказ изделия появляется в результате возрастающей потери работоспособности его узлов.
По системам и агрегатам машины следует различать отказы несущей системы (конструкции), трансмиссии, ходовой части, рабочего оборудования, электрооборудования, гидросистемы, пневмосистемы, системы управления и другие.
Указанные классификации и причины отказов необходимы для того, чтобы снизить вероятность отказов, а в идеале предотвратить их вообще, но так не бывает. Чтобы повысить
надежность системы, при прочих мерах и подходах требуется кратковременные вмешательства обслуживающего рабочего в технологический процесс эксплуатации. Для этого применяют подналадку систем, которые регламентированы системой обслуживания, например,
ТО–1 и ТО – 2. Например, подналадка в узлах, регулировка зажигания или иных механизмов,
замена масел, какие–то профилактические работы для многих современных машин включены в нормативы технологического и межремонтного обслуживания. Таким образом, чем выше степень совершенства модели машины, тем меньше таких «узаконенных» отказов, тем
больше приспособлена машина к непрерывной длительной работе.
5.3. Основные показатели технического использования
машин строительного комплекса, их количественная оценка
Известно, что одним из важнейших показателей качества машин и оборудования является надежность. Надежность и долговечность – это те показатели объекта, которые характеризуют его работу во времени, они определяют степень и характер изменений основных технических характеристик машин инженерного применения, происходящих в результате их
эксплуатации.
Для современного машин и технологического оборудования также важен показатель
безотказность работы. Поэтому свойство изделия безотказно работать в течение заданного
времени (или эквивалентного ему заданного объема работы) в определенных условиях эксплуатации также важны. Это приводит к полной или частичной утрате работоспособности
всей машины. Например, поломка пружины амортизатора, повышение температуры, падение
точности дозировки горючего.
По мнению авторов данной работы, следует использовать уточненные определения некоторых показателей, они таковы.
Надежность – это комплекс свойств технической системы, определяющих её
стабильный статус относительно других аналогичных или родственных работоспо154
собных объектов и выделяющий данную продукцию своими высокими, отличительными
эксплуатационными показателями.
Показатели надежности и долговечности изделия базируются на понятии работоспособности, уточненное и обобщенное определение которого, по нашему мнению, таково.
Работоспособность – это искусственно созданное внутреннее состояние объекта
с запрограммированным поведением, при котором изделие стабильно выполняет наделенные ему функции в заданных условиях эксплуатации, с допустимыми отклонениями
от установленных нормативных параметров.
Исследуя работоспособность машин строительного комплекса, следует различать два
аспекта. Первый – это работоспособность собственно самой техники с её эксплуатационными функциями и системой обслуживания.
Второй аспект касается технологий изготовления машин, где применяют поточные методы производства со всеми их плюсами и минусами.
Заданные условия эксплуатации предусматривают регламентацию уровня внешних
воздействий, а также методов технического обслуживания и ремонта, то есть система ремонта, затраты на ремонт и др. Допустимые отклонения от установленных параметров определяются техническими условиями на данное изделие.
Например, для оборудования, на котором делают машины, это заданные точность обработки и чистота обработанной поверхности, производительность оборудования, затраты
времени и средств на его подналадку и ремонт, коэффициент полезного действия и другие
показатели работоспособности.
Наличие в технических системах большого количества образующих её разнородных
элементов приводит к уменьшению надежности машины, что вызвано применением в техн ике все более сложных комплексов, которые имеют наряду с механическими системами и
электронные системы высокой сложности, например компьютеры. Все это может привести к
меньшей надежности объекта.
Определение количественных показателей надежности производят с помощью трех
методов: экспериментального, осуществляемого техническими измерительными средствами
или на основе обнаружения и подсчета количества событий или объектов, выраженного целым числом; расчетного, осуществляемого при помощи вычислений с использованием значений параметров, найденных другими методами; комбинированного (экспериментального
совместно с расчетным).
Одним из основных направлений оценки надежности является процесс эксплуатации
машин. Существует также экспериментальная оценка надежности (испытания на надежность), которая является одним из обязательных этапов в процессе разработки и серийного
выпуска промышленных изделий.
Напомним, что техническим ресурсом машины называется наработка всех систем и
объекта в целом от начала эксплуатации или ее возобновлении после определенного вида
ремонта до наступления предельного состояния.
Ранее указывали, что при эксплуатации строительная технологическая машина может
находиться в одном из следующих состояний: исправном, неисправном, работоспособном,
неработоспособном (непредельном) и предельном.
Исправным называют такое состояние строительной технологической машины, при котором она соответствует всем требованиям нормативно–технической документации. Если
техническая единица не соответствует хотя бы одному требованию нормативно–технической
документации, то она считается неисправной.
Работоспособным состоянием называют такое состояние машины, при котором техника соответствует тем требованиям к машине строительного комплекса, которые характеризуют его способность выполнять заданные.
Например, самоходный трехосный скрепер работоспособен, если он может выполнить
функции набора, перевозки и выгрузки грунта качественно, в срок и без угрозы безопасности
эксплуатации объекта.
155
С другой стороны, работоспособная машина–самосвал, перевозящая строительные грузы может быть неисправной, например, иметь пониженное давление масла в смазочной системе двигателя, ухудшенный внешний вид, но она выполняет свои функции.
Однако при несоответствии машины хотя бы одному из требований технического обслуживания, характеризующего её способность выполнять его транспортную работу, она
считается неработоспособным.
Переход машины в неисправное, но работоспособное состояние называется повреждением (нарушение исправного состояния), а в неработоспособное состояние – отказом
(нарушение работоспособного состояния).
Предельным состоянием строительной технологической машины называют такое состояние, при котором дальнейшее её применение по назначению недопустимо, экономически
нецелесообразно либо восстановление его исправности или работоспособности невозможно
или нецелесообразно.
Строительная технологическая машина переходит в предельное состояние, когда появляются неустранимые нарушения требований безопасности, недопустимо возрастают затраты на её эксплуатацию либо возникает неустранимый выход технических характеристик за
допустимые пределы, или недопустимое снижение эффективности эксплуатации.
Приспособленность машины противостоять внутренним физико-химическим процессам, а также процессам, возникающим в результате вредных воздействий окружающей среды
при выполнении технической системой своих функций, и приспособленность её к восстановлению своих первоначальных свойств определяется количественно, что оценивается с помощью показателей её надежности.
В соответствии с действующими в РФ нормативно – техническими документами
надежность является одной из составляющих качества изделия. При этом в общем смысле
под надежностью понимается свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во
времени значения эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих
установленным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта,
хранения и транспортирования.
Надежность как свойство характеризует и позволяет количественно оценивать, во –
первых, текущее техническое состояние машины и её составных частей, а во –вторых,
насколько быстро происходит изменение их технического состояния при работе в определенных условиях эксплуатации.
С другой стороны, надежность связывают с безотказностью, под которой понимается
свойство машины непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени
или некоторой наработки.
Показатели безотказности. Безотказность работы машины (оборудования) могут
также характеризовать следующие показатели. Принято, что основным показателем надежности машин и оборудования является вероятность безотказной работы изделия P(t) в пределах заданного времени t =T.
Вероятность безотказной работы P(t) 1, которую можно назвать коэффициентом
надежности (безразмерная величина), оценивает вероятность того, что за период времени Т
при заданных режимах работы и условиях эксплуатации машины отказ не возникнет.
Время Т, в течение которого гарантируется установленное значение безотказной работы P(t), называется гарантированным сроком службы машины.
Отметим, что при оценке надежности машины важен факт прекращения нормального
функционирования машины и не имеет значения время или средства, необходимые для восстановления утраченной работоспособности.
К основным показателям безотказности также относятся следующие.
Средняя наработка на отказ Тср – среднее значение времени работы между отказами.
Интенсивность отказов λ – отношение среднего числа изделий ∆N , отказавших в
единицу времени ∆t, к числу изделий N, безотказно работающих в данный момент времени
λ = ∆N/ (∆t * N).
(5.1)
156
Параметр потока отказов ώ(t).
Надежность машины характеризует лишь одну сторону сохранения её работоспособности с течением времени, при этом не рассматривается длительности всех тех отказов, которые возникают при эксплуатации и влияют на его работоспособность.
К вычислению показателей можно подходить по – разному. Так, вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданной наработки не возникает отказ.
Поэтому вероятность безотказной работы Q(t) это средняя наработка до отказа Т1 .
Наработка – это продолжительность работы технической системы или её составной
части, выражаемая обычно для автомобиля в километрах пробега или в часах работы. При
этом под наработкой подразумевается продолжительность или объем работы объекта, измеряемые в часах, километрах, кубометрах или других единицах.
Большинство величин показателей надежности выражается в виде наработки. Измеритель наработки выбирается в соответствии с требованиями к точности оценки показателей,
техническими возможностями измерений и возможностями оценки взаимосвязи отдельных
элементов, удобства планирования работ по ремонту, расчета запасных частей и прочие.
Средняя наработка до отказа – математическое ожидание наработки машины или агрегата до первого отказа.
Гамма – процентная наработка до отказа – наработка, в течение которой отказ машина (её составной части) не возникнет с заданной вероятностью, выраженной в процентах.
Средняя наработка на отказ – отношение наработки и математическому ожиданию
числа его отказов в течение этой наработки.
Таким образом, безотказность оценивают показателями:
– интенсивностью отказов;
– параметрами потока отказов;
– наработкой на отказ Т0 .
Определение показателей безотказности позволяет прогнозировать выход машины и её
составных частей из строя и планировать расход запасных частей, а также оптимизировать
периодичность и номенклатуру работ по его техническому обслуживанию и ремонту.
Показатели долговечности. Основными показателями долговечности являются:
– гамма – процентный ресурс Ry;
– средний ресурс Rср назначенный ресурс;
– средний ресурс между текущими (капитальными) ремонтами Rт.р и Rк.р;
– средний ресурс до списания Rам , средний ресурс до текущего ремонта;
– гамма – процентный срок службы; средний срок службы;
– средний срок службы между текущими (капитальными) ремонтами;
– средний срок службы до текущего (капитального) ремонта;
– средний срок службы до списания.
Средний ресурс – математическое ожидание ресурса.
Ресурс – это наработка дорожной и строительной машины или их агрегатов от начала
или возобновления его эксплуатации после ремонта до перехода в предельное состояние.
Гамма–процентный ресурс – наработка, в течение которой машина (её составная часть)
не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью, выраженной в процентах.
Средний срок службы – математическое ожидание сроки службы.
Срок службы – это календарная продолжительность от начала или возобновления эксплуатации строительной машины или её агрегата после ремонта до перехода в предельное
состояние.
Гамма–процентный срок службы – календарная продолжительность от начала эксплуатации машины строительного комплекса или его составной части, в течение которой он а не
достигнет предельного состояния с заданной вероятностью, выраженной в процентах.
Долговечность – это свойство изделия сохранять работоспособность в течение всего
срока службы, поэтому срок службы ограничивается физической стойкостью изделия или
157
экономическими факторами. Так, для машин строительного комплекса это либо время до капитального ремонта, либо весь период эксплуатации машины до её морального износа.
С другой стороны, долговечность машин характеризует их способность выполнять
свои рабочие функции с минимальными затратами на замену износившихся деталей, подналадку, ремонт и обслуживание. Чем меньше суммарные затраты времени и средств, идущих на восстановление работоспособности машины в течение всего периода её эксплуатации, тем выше её долговечность. Показателем долговечности работы машины может также
служить коэффициент долговечности , который равняется отношению времени фактической работы к суммарному времени работы и простоев в ремонте
,
где
(5.2)
– время работы объекта за весь период эксплуатации;
– суммарное время простоев машины по причине отказов (ремонт, регулировки) за
весь период эксплуатации.
Коэффициент долговечности (коэффициент технического использования) является
безразмерной величиной
, и чем выше его значение, тем долговечнее машина. Коэффициент долговечности численно равен вероятности того, что в данный произвольно взятый
момент времени машина работает, а не ремонтируется. Простои машин, снижающие его долговечность, вызываются различными причинами, но, в первую очередь, выходом из строя
некоторых деталей, потерей работоспособности передач и механизмов, изменением начальных служебных характеристик машины (мощности, виброустойчивости).
Потеря долговечности и надежности обусловлена в основном медленно протекающими
процессами, которые приводят к выходу из строя (отказам) отдельных узлов и элементов.
Надежность и долговечность не идентичные понятия, они отражают разные стороны
одного явления. Так, карьерный самосвал для вывоза щебня может быть надежным, но не
долговечным из – за постоянных экстремальных перегрузок. Это характерно также для случаев, когда объект с высокой степенью безотказности работает заданный период времени, а
затем выходит из строя из–за износа узлов двигателя. При этом на восстановление его работоспособности затрачивается много времени и средств, то есть машина имеет высокое значение коэффициента надежности P(t) и низкое значение коэффициента долговечности
.
Однако время, которое затрачивается на восстановление работоспособности машин н евелико. Оно требуется, например, для быстрой замены недорогой детали, выходящей из
строя. Малы также и другие затраты на ремонт. В этом случае машина имеет низкое значение коэффициента надежности и высокое значение коэффициента долговечности.
Таким образом, показатели надежности и долговечности машины связаны со сроками
службы ее деталей и элементов, при этом показатели долговечности позволяют нормировать
ресурсы и сроки службы машин строительного комплекса и их агрегатов.
Рассмотрим свойства машин связанные с ремонтопригодностью.
Показатели ремонтопригодности. К числу простейших свойств, определяющих ремонтопригодность машин, относятся: доступность, контролепригодность, легкосъемность,
взаимозаменяемость, блочность и агрегатирование, унификация, количество смазываемых
точек и прочие.
Доступность характеризуется рядом факторов, к которым относят возможность исполнителя производить ремонтные работы в заданных местах зоны машины, подлежащей
ремонту. При этом должны быть возможность осмотра рабочего места с достаточной отчетливостью, исключение работы на ощупь, удобство использования инструмента.
Доступность проявляется также в эргономике ремонтного процесса, в пригодности
машины для выполнения операции по обслуживанию и ремонту с минимальными объемами
дополнительных работ, например, открытие и закрытие люков, монтаж и демонтаж установленных рядом узлов и др.
158
Контролепригодность характеризует возможность контроля технического состояния
машины и её элементов при профилактических мероприятиях, а также поиске отказавшего
элемента или причины неисправности с помощью специальных методов и средств.
Требуемая контролепригодность обеспечивается предусмотрением возможности подключения диагностической аппаратуры, установки индикаторов давления и температуры
внутренней среды агрегатов, индикаторов загрязненности фильтров и другое.
Легкосъемность означает пригодность агрегата или узла к замене с минимальными затратами времени и труда при его (де)монтаже. Она определяется системой крепления узлов и
деталей, конструкцией разъемов, массой и габаритами съемных элементов машины.
Взаимозаменяемость узлов и элементов характеризуется объемами пригоночных работ
при установке однотипных элементов.
Блочность и агрегатность характеризуют возможность демонтажа и монтажа на машину узла или агрегата как единого целого без предварительной разборки его или смежного
с ним узла.
Унификация целесообразна с позиции эксплуатации машина, ибо она должна быть
унифицирована не просто с какими–либо другими машинами, а в первую очередь с теми, которые по своему назначению могут и должны использоваться по назначению. Это не только
упрощает и удешевляет техническое обслуживание и ремонт, но и сокращает номенклатуру
подлежащих складскому хранению запасных частей, уменьшает перечень потребного оборудования и возможность широко применять удачные разработки повсеместно, в различных
технических системах.
Основными показателями ремонтопригодности и эксплуатационной технологичности
являются средняя продолжительность и средняя трудоемкость выполнения технического
обслуживания или ремонта определенного вида, которые используют при нормировании работ и сравнении между собой различных строительных технологических машин.
Для характеристики ремонтопригодности и эксплуатационной технологичности и спользуется также ряд частных показателей, определяющих влияние конструктивных особенностей машины на трудоемкость и продолжительность её обслуживания и ремонта.
К ним относятся, например, количество мест обслуживания на автомобиле–самосвале
и их доступность, число марок применяемых эксплуатационных материалов, номенклатура
необходимого оборудования и инструментов.
Таким образом, можно дать еще одно определение: – ремонтопригодность это свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и устранению отказов путем проведения ремонта и обслуживания. Ремонтопригодность это своего рода вероятность восстановления в заданное время; поэтому есть важный показатель ремонтопригодности –среднее время восстановления Т в.. Другими показателем являются – время восстановления и заданное время.
Показатели сохраняемости. Напомним, что под сохраняемостью понимают свойство
машины или её составной части непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние, то есть значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в
течение хранения и после него и (или) при транспортировании.
Обычно сохраняемость характеризуется гамма–процентным сроком сохраняемости и
средним сроком сохраняемости.
Итак, основным показателям сохраняемости являются средний срок сохраняемости –
это математическое ожидание срока сохраняемости машины или её составной части.
Срок сохраняемости – это календарная продолжительность хранения и транспортирования машины или её составной части, в течение которой сохраняются значения показателей
безотказности, долговечности и ремонтопригодности в установленных пределах.
Суждение о надежности машины, ее узлов и деталей должно основываться на комплексе показателей, характеризующих все свойства, составляющие надежность объекта. О днако относительная значимость отдельных простых свойств для различных типов машин
159
может быть не одинаковой. При этом к выявлению весомости отдельных свойств следует
подходить, в первую очередь, с точки зрения общественной потребности.
К основным комплексным показателям надежности строительных и дорожных машин также относятся ряд коэффициентов, в том числе коэффициенты готовности и технического состояния.
Коэффициент готовности – это вероятность того, что машина окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение
которых его использование по назначению не предусмотрено.
Укажем комплексные показатели:
– коэффициент готовности Kг ;
– коэффициент технического использования;
– коэффициент оперативной готовности;
– средняя суммарная трудоемкость технического обслуживания 3ТР ТО;
– удельная суммарная трудоемкость технического обслуживания – ЗТР.Т0 ;
– средняя суммарная трудоемкость ремонтов – ЗТР.Р;
– удельная суммарная трудоемкость ремонтов – ЗТР.Т;
– средняя суммарная стоимость технического обслуживания – ЗТ.О;
– удельная суммарная стоимость технического .обслуживания – ЗТР.Т.0 ;
– средняя суммарная стоимость ремонтов – ЗР ;
– удельная суммарная стоимость ремонтов – ЗУР.
Коэффициент технического использования – отношение математического ожидания
интервалов времени пребывания машины в работоспособном состоянии за определенный
период эксплуатации к сумме математических ожиданий интервалов времени пребывания
объекта в работоспособном состоянии, простоев, обусловленных техническим обслуживан ием и ремонтов за тот же период эксплуатации.
Таковы особенности оценки состояния машин строительного комплекса, находящихся
в процессе эксплуатации, с применением показателей технического использования машин и
количественной оценкой.
Укажем на несколько иной подход в представлении вышеуказанных терминов, но под
другим углом зрения, хотя и близким.
Для машин каждую составляющую надежности можно рассматривать для двух состояний, называемых характеристическими.
Для безотказности и ремонтопригодности характеристическими состояниями будут состояние работоспособности и альтернативное ему состояние отказа или состояние утраты
работоспособности.
Это не меняет сути термина «работоспособность», под которым понимают состояние
объекта, при котором он выполняет заданные функции, сохраняя значения заданных нормативных параметров в пределах, установленных нормативно–технической документацией, но
дает новый подход.
По аналогии, как для безотказности, так и для ремонтопригодности может быть установлено не одно, а несколько пар характеристических состояний. При этом для изделия задается соответственно несколько показателей безотказности и ремонтопригодности.
Для сохраняемости характеристическими будут:
– состояние работоспособности при условии, что изделие имеет обусловленные технической документацией уровни безотказности, ремонтопригодности и долговечности;
– состояние отказа или состояние работоспособности при несоответствующих техн ическим условиям уровнях безотказности, ремонтопригодности или долговечности.
Для долговечности характеристическими являются:
– так называемое предельное состояние – состояние изделия, при котором его дальнейшая эксплуатация либо технически невозможна, либо экономически нецелесообразна;
– состояние, альтернативное предельному.
160
Для неремонтируемых изделий предельное состояние совпадает с состоянием отказа. У
наиболее простых восстанавливаемых изделий предельное состояние практически определяется числом восстановлений и замен деталей, после которых дальнейшая эксплуатация технической системы невозможна или нецелесообразна.
Иногда предельное состояние определяется так называемым фактором морального старения. Изделие, являющееся технически пригодным для эксплуатации, может оказаться н еэффективным вследствие появления новых изделий того же функционального назначения с
лучшими характеристиками.
Рассмотренные составляющие надежности являются достаточно разными по своей
природе техническими характеристиками изделия и в зависимости от условий эксплуатации
могут выполнять разную роль.
Однако общей отличительной чертой перечисленных составляющих является то, что
каждая из них теснейшим образом связана с некоторой случайной величиной, имеющей размерность времени.
Для безотказности такой случайной величиной является время Т безотказной работы
(время непрерывной работы изделия от начала функционирования до отказа или время работы между отказами);
– для ремонтопригодности – время
восстановления работоспособности изделия после отказа (длительность ремонта);
– для сохраняемости – время
сохранения изделием своих технических характеристик и показателей (в том числе свойств безотказности, ремонтопригодности и долговечности) в условиях хранения;
– для долговечности – время
от начала эксплуатации изделия до наступления некоторого заранее обусловленного предельного состояния.
Указанное общее свойство четырех составляющих надежности определяет единство
способов их количественного описания. Так как составляющие надежности связаны со случайными величинами, основным математическим аппаратом теории надежности является
теория вероятностей.
5.4. Источники возникновения погрешностей узлов и механизмов
строительных технологических машин
Точность узлов машины предопределяется точностью деталей, из которых собраны узлы. Это относится также и к оборудованию, на котором изготовлены и на котором ремонтируют узлы и детали строительных технологических машин.
По источникам возникновения отклонений от установленных норм и характеру все
ошибки механизмов, влияющие на погрешности собранных и обработанных изделий,
условно разделяют на несколько групп.
Основные из них таковы:
– геометрическая точность;
– кинематическая точность;
– жесткость системы;
– позиционирование подсистем;
– виброустойчивость узлов, подсистем, а также всего объекта;
– автоколебания;
– теплостойкость и другие группы.
Рассмотрим причины возникновения погрешностей в узлах машин и системах оборудования, определяющих и влияющих на точность.
Отметим, что при отсутствии внешних воздействий, геометрическая точность зависит от ошибок соединений элементов узлов и влияет на точность взаимного расположения
узлов машины, то есть геометрическая точность главным образом зависит от точности изго161
товления соединений базовых деталей и от качества сборки машины. Поэтому на погрешн ости в расположении основных узлов машины существуют определенные нормы.
Нормы на допустимые для данного объекта геометрические погрешности зависят от
требуемого качества, а для машин и оборудования (технических систем) – точности изготовления деталей в условиях производства. Соответствие установленным нормам проверяют как для нового объекта (машины, узлов, оборудования для обслуживания машины), так и
при его эксплуатации.
Обычно сложные движения деталей и узлов, где осуществляется сложное контурное
взаимодействие, требуют согласования скоростей нескольких простых движений. Так появляется необходимость выделить особое значение кинематической точности.
Нарушение согласованных движений нарушает правильность заданной траектории
движения объекта. Особенно это важно для металлообрабатывающего оборудования, и спользуемого для изготовления деталей и запасных частей машин строительного комплекса,
где движущийся инструмент относительно заготовки при невысокой кинематической точности искажает форму обрабатываемой поверхности.
Следующий важный показатель – это жесткость объекта, которая характеризует свойство противостоять появлению в системе упругих перемещений, возникающих под действием постоянных или медленно изменяющихся во времени силовых воздействий.
Жесткость – это отношение силы к соответствующей упругой деформации в том же
направлении.
Величину, обратную жесткости, называют податливостью.
Жесткость объекта, особенно его несущей подсистемы (рамы или кузова) должна
обеспечить упругое перемещение между деталями и соединениями в заданных пределах.
Жесткость и соответственно податливость базовых деталей машины (они, как правило,
изготовлены из сталей) подчиняются закону Гука, и для каждой детали есть величины постоянные. Считается, что для техники при большом числе упругих деталей жесткость основных (несущих) подсистем машины близка к постоянному значению.
Жесткость большинства отдельных соединений, таких как неподвижные стыки, подшипники качения и скольжения, не является постоянной величиной вследствие отсутствия
прямой пропорциональности между силой и упругим перемещением, поэтому на них следует обращать особое внимание при эксплуатации ТС МСК.
Податливость сложной системы из набора упругих элементов, работающих последов ательно, равна сумме податливостей этих элементов.
Основные источники возникновения погрешностей механизмов. При проектировании строительных технологических машин и их механизмов одной из основных задач является, как правило, обеспечение требуемой точности функционирования системы. Всякий
реально созданный узел отличается от идеальных прототипов, которые наилучшим образом
могут решать поставленные перед ними задачи.
Для большинства механических систем эти отличия обусловлены применением упрощенной или усложненной кинематической схемы, возникающими погрешностями изготовления или монтажа, вызывающими деформацию звеньев и контактные деформации, вли янием сил трения, изнашиванием поверхностей [10], влиянием эксплуатационных нагрузок.
Все возможные погрешности, вызывающие неточности работы механизмов, классифицируют по причинам, вследствие которых они возникают. Различают погрешности следующих типов [37].
1. Методические, возникающие вследствие различия между действительным и требуемым законами движения узлов и ведомого звена. Методические погрешности часто называют погрешностями схемы; они появляются в результате изменения кинематической схемы или технологии изготовления и сборки объекта.
2. Технологические, возникающие при изготовлении и сборке механизмов; к их числу
относятся погрешности размеров (линейные и угловые), геометрических форм и располо162
жения рабочих поверхностей. Первичные технологические погрешности делятся на скалярные (погрешности размеров) и векторные (погрешности от зазоров, эксцентриситетов).
3. Эксплуатационные, возникающие при эксплуатации узлов, механизмов в результате
силовых и температурных деформаций звеньев, вибраций, изнашивания деталей.
Погрешность ∆y определяется как разность между идеальной yид = f(x) и действительной yд = f 1 (x) функциями перемещения механизма (рис. 5.1).
В зависимости от закономерности их появления погрешности разделяют на случайные
и систематические.
Случайная погрешность при повторных измерениях одной и той же величины изменяется случайным образом. Присутствие случайных погрешностей можно легко установить несколькими повторными действиями при неизменных условиях
эксперимента.
Рис. 5.1. Функции перемещения идеального
и действительного механизмов
Причинами появления случайных погрешностей являются неконтролируемые непрерывные изменения всех факторов и условий, влияющих на результаты обработки или измерений. Случайные погрешности неустранимы, но их влияние может быть уменьшено путем
учета соответствующей коррекции.
В узлах с механическими, гидравлическими и другими приводами основными причинами появления случайных погрешностей являются зазоры в передачах, трение в шарнирах,
непостоянство усилий и деформаций, температур и т. п.
Систематическая погрешность остается постоянной или закономерно изменяется. Методические погрешности, как правило, относятся к систематическим.
Часто систематическими являются также температурные погрешности. Систематическая погрешность может быть учтена введением тех или иных поправок.
По закономерности появления систематические погрешности могут быть разделены на
четыре группы:
1) постоянные;
2) возрастающие, увеличивающиеся с ростом измеряемой величины (например, температурные погрешности при измерении длины детали);
3) периодические (например, погрешность, связанная с эксцентриситетом звена);
4) изменяющиеся по сложному закону (при использовании упрощенных физических
зависимостей вместо точных, но более сложных).
Невозможность абсолютно точно стабилизировать влияющие факторы приводит к тому, что большинство характеристик работы и настройки станка являются вероятностными
величинами и могут быть оценены лишь в результате их статистической обработки.
5.5. Случайные величины процессов эксплуатации ТС МСК и их характеристики.
Краткие сведения из теории вероятностей и математической статистики
Зависимость надежности машины от многочисленных и разнородных факторов прив одит к тому, что появление отказов носит случайный характер. Поэтому оценку надежности
объектов проводят, используя математические методы на основании обобщения накопленной статистической информации об их работе в реальных условиях эксплуатации. При этом
163
выявляют вероятностные закономерности и соотношения между случайными факторами,
по–разному влияющие на показатели надежности машин.
Теория вероятностей описывает математические модели случайных событий. Рассмотрим случайные величины процессов эксплуатации ТС МСК и их характеристики.
Случайным считается такое событие, которое в одинаковых условиях может произойти
или не произойти.
Если при выполнении N раз некоторых условий случайное событие А осуществилось N
(А) раз, то отношение N (A)/N называют относительной частотой события А. Для случайных событий при достаточно больших N относительная частота обладает свойством устойчивости, то есть находится около одного и того же числа. Это число называют вероятностью события А и обозначают Р (А).
Если всем возможным событиям А, В, С, ..., которые могут осуществиться при некоторых условиях, поставить в соответствие некоторые величины х 1 х 2 , х 3 , ..., то считается, что
этим событиям соответствуют различные значения случайной величины X. Поэтому в качестве случайного события можно рассматривать принятие случайной величиной X каких–
либо из ее возможных значений [37]. Под событием понимают явление, происходящее в
результате испытания, то есть качественный результат опыта.
Случайная величина X называется дискретной, если множество ее возможных значений представляет собой конечную или бесконечную последовательность чисел x 1 x 2 , ... и если каждое событие X = x i является случайным, то есть имеет определенную вероятность.
Основной характеристикой дискретной случайной величины является закон распределения вероятностей, устанавливающий связь между возможными значениями случайной
величины и соответствующими вероятностями.
Закон распределения может быть задан аналитически, в виде графика (рис. 5.2) или
таблицы.
Рис. 5.2. График распределения дискретных случайных величин
Случайная величина, возможные значения которой сплошь заполняют некоторый и нтервал, называется непрерывной.
Для непрерывной случайной величины имеет смысл рассматривать только такое событие, как попадание в интервал, поскольку вероятность попадания непрерывной случайной
величины в любую заранее заданную точку равна нулю. Поэтому для ее характеристики и спользуется понятие плотности вероятности.
Плотностью вероятности р называют предел отношения вероятности того, что возможные значения случайной величины находятся в определенном интервале к значению
этого интервала:
px
lim
x
0
P( x
X
x
x
x)
,
(5.3)
164
где х – нижнее предельное значение интервала; х+∆х – верхнее предельное значение
интервала; ∆х – значение интервала.
Представив графически, рис. 5.3, плотность распределения непрерывной случайной
величины, видим, что если случайная величина находится в интервале ∆х, то соответствующая вероятность такова:
P( x
X
x
x)
p x,
если в интервале (а, b), то она уже
b
P(a
X
b)
p ( x ) dx .
a
В этом случае площадь, ограниченная кривой и ординатами в точках а и b, будет численно равна вероятности нахождения случайной величины в этих пределах. Для пределов от
+∞ до –∞ имеем:
P(
X
)
p ( x)dx
1.
(5.4)
Рис. 5.3. График плотности распределения вероятностей непрерывных случайных величин
Площадь, ограниченная кривой плотности распределения и осью абсцисс в пределах ±
∞, определяет достоверное событие и всегда равна единице. Помимо плотности распределения вероятностей для непрерывных случайных величин используют еще три способа аналитического описания законов распределения: функцию распределения вероятностей случайной величины, равной вероятности того, что случайная величина примет значение, не
большее чем х:
x
F ( x)
p ( x)dx
;
(5.5)
дополнительную функцию распределения
x
G ( x)
1
F ( x)
1
p( x)dx ;
(5.6)
функцию интенсивности
H ( x)
p ( x)
G ( x)
p ( x)
x
1
p ( x)dx
дF
дx
1 F ( x) .
(5.7)
Графики перечисленных функций (0 < X < ∞) для экспоненциального и нормального
распределений и распределения Вейбулла (для последнего случая приведены по две кривых
каждой функции, соответствующих различным сочетаниям параметров), рис. 5.4.
165
Функции р (х), F (x), G (х) и Н (х) однозначно пересчитываются одна в другую, поэтому принципиально они могут быть использованы для описания законов распределения. О днако некоторые специфические особенности этих функций делают каждую из них более или
менее удобной для решения тех или иных задач.
Функции F (х) и G (х) позволяют непосредственно отсчитывать значения вероятностей
попадания случайной величины в заданные интервалы. В то же время эти функции для любых законов распределения монотонны, что скрадывает специфические черты различных
законов распределения.
Плотность р(х) наиболее ярко отображает основные особенности закона распределения: расположение области возможных значений на оси, наличие и расположение наиболее
вероятных значений, степень рассеяния, симметричность и другие.
В связи с этим она наиболее удобна для наглядного представления свойства случайной величины. Функция интенсивности Н (х) относительно редко используется для описания законов распределения, причем главным образом в теории надежности.
Рис. 5.4. Графики функций: р (х) – плотности вероятностей;
F (х) – плотности распределения вероятностей; G (х) – вероятность безотказной работы;
H(х) – интенсивности для разных законов распределения: а) – экспоненциального;
б) – нормального; в) – распределения Вейбулла
Функции, описывающие закон распределения, не всегда удобны для практического
пользования. В связи с этим широкое распространение получили так называемые числовые
характеристики случайных величин, которые описывают не все свойства случайной вел ичины, но просты и удобны в инженерной практике.
166
Среди них можно выделить h–квантиль, начальные и центральные моменты случайной
величины, h–квантилем x h называется такое значение случайной величины, которому соответствует значение функции распределения случайной величины, равное h:
F ( xh )
h.
Начальным моментом v–гo порядка называется интеграл
MX v
x v p ( x)dx .
mv
Наиболее широко используется начальный момент 1–го порядка
MX
m
x p( x)dx ,
(5.8)
называемый математическим ожиданием случайной величины (средним арифметическим
или центром группирования).
Центральный момент v–гo порядка определяется выражением
M (X
m)v
mv0
( x m)v p( x)dx .
(5.9)
Важную роль играет второй центральный момент
M (X
m) 2
m20
D
(x
m) 2 p( x)dx ,
(5.10)
называемый дисперсией и характеризующий степень рассеяния случайной величины. Чтобы
избавиться от неудобств размерности
, которая, как видно из выражения (5.10), равна
квадрату размерности X, для характеристики рассеяния случайной величины часто используют среднее квадратичное отклонение
D
(x
m) 2 p( x)dx .
(5.11)
Для характеристики зоны рассеивания вводят понятие предельного отклонения случайной величины.
Предельным отклонением называют такое отклонение случайной величины от средн его арифметического, за пределами которого по обе стороны находятся отклонения с заданной вероятностью появления.
Предельные отклонения выражают в долях среднего квадратичного отклонения. Для
симметричных законов распределения
A ,
(5.12)
где А – коэффициент предельного отклонения, зависящий от формы кривой распределения
и допустимой вероятности выхода значения случайной величины за принятые пределы.
Числовые характеристики случайных величин выполняют весьма важную роль. В
частности, их используют при переходе от экспериментально определенных значений распределения к математическим моделям распределения, более удобным в исследовании.
Все математические модели или законы могут быть представлены в следующем общем
виде: p = p ( p1 , p2 , p3 , …, pn ,),
где p1 , p2 , p, …, pn – параметры закона распределения; в зависимости от их числа различают одно–, двух–, трех– и n–параметрические распределения. На практике наиболее часто встречаются следующие законы распределения случайных величин.
1. Распределение по закону равной вероятности (рис. 5.5). Закон описывает распределение результатов округления, его используют при оценке погрешностей, вызванных эксцентриситетами, перекосами осей за счет зазоров.
167
Среднее арифметическое значение случайной величины равно
b
m
xp ( x )dx
(a
b) / 2 .
(5.13)
a
а)
б)
Рис. 5.5. Графики распределения случайных величин по закону равной вероятности (а)
и Симпсона (б)
Среднее квадратическое отклонение
b
a
x
2
(a
b
b) / 2
dx
a
b a
.
2 3
(5.14)
Коэффициент предельного отклонения равен
A
(b
(b
a) / 2
a ) /( 2 3 )
1,73 .
Следовательно, для закона равной вероятности
1,73 .
2. Распределение по закону Симпсона. Этот закон применим при сложении двух случайных величин, каждая из которых следует закону равной вероятности (рис. 5.5)
Среднее арифметическое значение
m
(a
b) / 2 .
Среднее квадратическое отклонение
(b
a) /(2 6 ) .
(5.15)
Тогда коэффициент предельного отклонения
(b a) / 2
A
2,45 .
(b a ) /( 2 6 )
Следовательно, для распределения по закону Симпсона
2,45 .
3. Экспоненциальное распределение (см. рис. 5.4, а). Этот закон широко используется в
теории надежности, характеризуется плотностью распределения вероятности вида
p1 x
P (x, p1 ) = p1e
.
(5.16)
Функция экспоненциального распределения вероятностей случайной величины имеет вид
F ( x, p1 ) 1 e p1 x ,
функция интенсивности
H (x, p1 ) = p1 .
Среднее арифметическое значение равно среднему квадратическому отклонению:
1
.
p1
m
4. Распределение Эрланга. Этому закону соответствуют следующие функции
168
(5.17)
4 p12 xe
p ( x, p1 )
причем m
1/ p1;
2 p1x
; F ( x, p1 )
1
(1
2 p1 x)e
2 p1 x
; (5.18)
1/( p1 2 ) .
5. Распределение по нормальному закону (закону Гаусса). Такое распределение непрерывных случайных величин обусловливается одновременным действием большого числа
независимых и однородных по своему влиянию факторов, причем ни один из факторов не
является доминирующим.
Большинство случайных величин подчиняется закону Гаусса, поэтому закон нормального распределения имеет первостепенное значение при точностных расчетах и оценках работы механизмов машин.
Функция плотности распределения закона Гаусса имеет вид
p ( x, p1 , p2 )
1
p2 2
(x
e
p1 ) 2
2 p 22
(5.19)
.
Среднее арифметическое случайной величины m = p1 . Среднее квадратическое отклонение σ = p2 .
Закон нормального распределения графически изображается колоколообразной кривой
(см. рис. 5.4, б и 5.6) с ветвями–асимптотами к оси х и модой, соответствующей среднему
арифметическому значению
pmax
1
2
.
(5.20)
Нетрудно доказать, что точка перегиба на ветвях находится на расстояниях ±σ относительно т.
Рис. 5.6. График плотности распределения вероятностей по закону Гаусса: 1 — площадь,
определяемая функцией F (b/σ); 2 — площадь, определяемая функцией F (а/ σ)
При рассмотрении кривой можно заметить, что среднее арифметическое значение случайной величины имеет максимальную плотность вероятности; кривая симметрична относительно ординаты т, поэтому одинаковые отклонения от среднего арифметического с разными знаками равновероятны; ветви кривой асимптотически приближаются к оси х, следовательно, большие отклонения от среднего арифметического менее вероятны.
Для практических расчетов удобнее считать, что центр группирования совпадает с
началом координат и величина х выражается в долях от среднего квадратического. В этом
случае, если обозначить (x–m)/σ = z, плотность нормального распределения вероятностей
случайной величины
169
1
2
p( z )
e
z2 / 2
.
Вероятность нахождения случайной величины в интервале ab
z1
P a
x
b
z2
p ( z )dz
p ( z ) dz
0
1
2
z1
e
z2 / 2
0
z2
1
2
dz
0
e
z2 / 2
dz ,
0
(5.21)
где z1 = (b – m)/σ; z2 = (а – m)/σ.
z2 / 2
Выражение e
в элементарных функциях не интегрируется, поэтому для подсчета интегралов составлены таблицы значений функции
z
1
2
F ( z)
e
z2 / 2
dz ,
(5.22)
F ( z2 ) .
(5.23)
0
называемой функцией Лапласа.
Тогда получим
Pa
x
b
F ( z1 )
На практике принято считать, что размер интервала ± 3σ практически полностью
определяет собой диапазон рассеивания.
При этом коэффициент предельного отклонения А=∆/σ=3. Следовательно, для закона
нормального распределения ∆= ± 3σ.
Необходимо отметить, что иногда приходится сталкиваться с тем, что одна какая–то
случайная величина х является суммой двух независимых случайных величин x 1 и x 2 , каждая из которых имеет определенный закон распределения.
Не рассматривая подробно теорию композиций, можно отметить:
– композиция двух законов нормального распределения дает закон нормального распределения с дисперсией, равной сумме дисперсий отдельных распределений; в этом случае
среднее квадратичное отклонение равно
2
1
2
2
;
– композиция двух законов равной вероятности дает закон Симпсона с дисперсией,
равной сумме дисперсий отдельных законов;
– композиция двух законов Симпсона, смешанные композиции из трех законов и более, с достаточной степенью точности приводят к закону нормального распределения. Это
положение еще раз подтверждает, что при наличии большого числа факторов, влияющих на
случайную величину, распределение последней подчиняется закону Гаусса.
6. Логарифмически–нормальное распределение. Такое распределение часто используют
для описания долговечности материалов в условиях усталостного нагружения. Оно характеризуется следующими функциями распределения:
p ( x, p1 , p2 )
F ( x, p1 , p2 )
1
exр
p2 x 2
1
p2 2
170
x
1
e
z
0
(log x p1 ) 2
,
2 p22
1
2 p 22
(log z p1 ) 2
dz ,
(5.24)
m
e p1
p 22 / 2
e2 p1
p 22
,
p 22
(e
1) .
7. Гамма–распределение:
p2p1 p1 1
x e
Г ( p1 )
p( x, p1 , p2 )
p2 x
,
(5.25)
1
Г x / p 2 ( p1
p1
F ( x, p1 , p2 )
1) ,
где Г x / p2 ( p1 1) – неполная гамма–функция
x / p2
Г x / p 2 ( p1
z1p1 e z dz .
1)
(5.26)
0
В этом случае
m
p1 / p2 .
p1 / p2 ;
При p1 = 1 гамма-распределение переходит в экспоненциальное; при p1 = 1, 2, 3, ..., k – в
гамма-распределение Эрланга k–гo порядка.
Частным случаем гамма-распределения (при p1 = n/2 и p2 = 1/2) является также распределение x 2 .
8. Трехпараметрическое распределение Вейбулла:
p2
(x
p3
p( x, p1 , p2 , p3 )
p1 )
p2 1
p3
1
p2
p3 Г
m
Г
1
p2
exр
(x
F ( x, p1 , p2 , p3 ) 1 exр
1
(x
Г (e
p1 ) p 2
p3
p1 ) p 2
,
p3
1
p 22
,
(5.27)
,
1) .
Частным случаем распределения Вейбулла является экспоненциальное распределение
(при p1 = 0 и p2 = 1).
Приведенные выше законы распределения представляют собой удобные в аналитическом исследовании математические модели, оказывающиеся во многих случаях достаточно
близкими к реальным законам распределения случайных величин, исследуемых в тех или
иных технических задачах.
В связи с этим важной задачей, имеющей большое практическое значение, является
подбор подходящей математической модели закона распределения для описания случайной
величины, заданной рядом экспериментально полученных данных, которые принято называть реализациями случайной величины.
Набор х 1 , х 2 , ..., x h , h – реализаций называют простой статистической совокупностью.
Эту совокупность удобно записывать в виде таблицы: в первом столбце таблицы указывается номер i –й реализации (от 1 до h), во втором — соответствующие значения х 1 ,.
171
В целях более наглядного отображения исходного статистического материала его
представляют в виде упорядоченной статистической совокупности или вариационного ряда,
где номера (от 1 до h) присваиваются реализациям в порядке возрастания их значений.
При h > 50 работать с таблицей упорядоченной статистической совокупности неудобно. В этих случаях исходный статистический материал подвергается предварительной обработке. Весь диапазон значений x i (от х 1 до x h ) разбивают на r интервалов:
y1 = (x1 , x2 ), y2 = (x2 , x3 ), …, yj = (xj, xj+1 ), …, yr = (xr, xr+1 )
(в общем случае интервалы yj могут быть неравны).
Затем подсчитывают число реализаций hj, попавших в каждый интервал, и вычисляют частоту ηj попадания в j интервал по формуле
ηj = hj/h.
Нетрудно видеть, что всегда имеют место равенства
r
r
hj
h
j 1
j
1.
(5.28)
j 1
Далее строят таблицу с четырьмя столбцами (табл. 5.1). Такое представление исходных данных называется статистическим рядом.
Для наглядного представления статистического ряда строят графики статистических
функций распределения случайной величины.
Таблица 5.1
Обработка опытных статистических данных
№ интервала
Предельные размеры
интервала
Средний размер
интервала
Частота
интервала
1
x1 – x2
x1
1
2
x2 – x3
x2
2
3
.
.
.
r
x3 – x4
.
.
.
xr – xr+1
x3
.
.
.
xr
172
3
.
.
.
r
Рис. 5.7. Графическое изображение статистических законов распределения:
1 – гистограмма распределения; 2 – полигон распределения
Для построения статистической функции плотности распределения p*(x) (здесь и далее
статистические функции распределения и статистические числовые характеристики распределений обозначены соответствующим символом со знаком *) на горизонтальной оси строят
интервалы статистического ряда. На каждом интервале yj как на основании строят прямоугольник, высота которого lj определяется как отношение частоты к ширине интервала:
j
lj
xj
.
xj
1
(5.29)
Совокупность прямоугольников представляет собой гистограмму распределения (кривая 1 на рис. 5.7). Нетрудно видеть, что сумма площадей всех прямоугольников гистограммы
r
r
l j (x j
j
xj )
1
j
1
j
1.
(5.30)
1
Если по оси абсцисс откладывать средние арифметические размеры интервалов x1 , x 2 ,
x 3 , …, x r , то полученную ломаную называют полигоном распределения (см. кривую 2 на
рис. 5.7).
Статистический ряд позволяет также построить статистический эквивалент интегральной функции распределения F* (x). На основе графиков статистических функций распределения легко найти статистические эквиваленты точечных и интервальных характеристик.
Для статистического математического ожидания (называемого часто статистическим
средним) случайной величины имеем
r
m*
xj
j
,
(5.31)
j 1
для статистической дисперсии получим выражение
r
D*
(x j
m* ) 2
j
,
(5.32)
j 1
где x j
(x j
x j 1) / 2 .
Таковы некоторые законы, которые описывают вероятностные законы распределения и
которые принципиально могут быть использованы для оценки состояния объектов машин
строительного комплекса, оборудования и любых технических систем, в том числе при
определении надежности.
5.6. Методики и примеры расчета надежности механических систем машин
строительного комплекса, работающих до отказа
Как ране указывалось, связи со случайным характером показателей работы машин
строительного комплекса и их элементов в качестве основного расчетного аппарата теории
надежности используются методы математической статистики и теории вероятностей.
Типичными задачами теории вероятностей являются предсказания результатов частн ого эксперимента, исходя из некоторых общих закономерностей, характеризующих полученную совокупность данных. Поэтому, исходя из опытных результатов эксперимента, решая
типичные задачи математической статистики, делают выводы об общих закономерностях,
характеризующих генеральную совокупность.
173
Перечень задач, охватываемых теорией надежности ТС МСК, можно выделить в четыре группы:
– выявление и изучение природы возникновения отказов в элементах конструкций машин;
– соответствие имеющегося уровня надежности заданному уровню исследуемых объектов;
– на основании установленных закономерностей и сделанных выводов, создание рекомендаций по обеспечению требуемого уровня надежности на стадиях производства серийных и зделий, а при необходимости внесение изменений в конструкцию изделия;
– уточнение мероприятий по поддержанию высокого регламентируемого уровня надежности
машины на стадии эксплуатации.
Аппарат математической статистики и теории вероятностей следует применять на всех
стадиях ЖЦИ. Поэтому многие задачи разделяют как по этапам ЖЦИ, так и при решении задач внутри проблемы. Например, рассматривают надежность объекта при работе до первого
отказа или исследуют надежность восстанавливаемых объектов, или изучают надежность
системы, состоящей из множества независимых элементов.
Мы предлагаем также несколько направлений изучения особенностей и закономерн остей,
характеризующих надежность объекта. На данной стадии рассмотрим надежность элементов, работающих до первого отказа.
Для расчета надежности механических систем машин в настоящее время нет единой
общей методики. Это объясняется следующими причинами:
– ограниченной возможностью использования стандартных деталей;
– отсутствием статистических данных о неисправностях деталей одинаковой конструкции вследствие различия режимов работы;
– быстрой сменой современных материалов, требований, технологий; непостоянством
процессов разрушения.
Разработка методов расчета надежности механических систем основывается на выяснении физических закономерностей потери материалом своих первоначальных свойств. Для
обоснования физики отказов необходимо дальнейшее изучение таких процессов разрушения,
как усталость, изнашивание и коррозия.
Для того чтобы задать ту или иную составляющую надежности, необходимо достаточно полно описать соответствующую случайную величину. Как известно, исчерпывающее
описание случайной величины содержится в законе ее распределения.
В теории надежности используются все четыре способа задания законов распределения
случайных величин.
Во многих случаях расчет надежности механических систем основан на анализе
напряжений.
Рассматриваемые в теории надежности случайные величины Т, ТР, ТС, ТД имеют размерность времени, для них всегда справедливо равенство
F (0) = 0, поэтому нижний предел интегрирования вместо – ∞ принимается равным нулю.
;
(5.33)
;
(5.34)
.
(5.35)
В теории надежности выполняет важную роль и широко используется вытекающая из
выражений (5.33)–(5.35) функция
.
174
(5.36)
Как уже отмечалось, каждая из функций f(t), F (t), Н (t) и G (t) описывает закон распределения случайной величины.
Таким образом, распределения случайных величин Т, ТР, ТС и ТД задаваемые в любой
из возможных форм, являются характеристиками надежности (безотказности, ремонтопригодности, сохраняемости и долговечности соответственно).
Некоторые из приведенных выше функций применительно к случайным величинам Т,
ТР, ТС и ТД в теории надежности получили специальные названия и обозначения.
Так, дополнительная функция распределения случайной величины Т получила название вероятности безотказной работы и обозначается Р (t).
Функция интенсивности той же случайной величины называется интенсивностью отказов и имеет обозначение (t).
В связи с неудобством использования функций в инженерной практике широкое применение нашли числовые показатели надежности.
Наиболее широко используется математическое ожидание: например, среднее время
безотказной работы , среднее время восстановления
, среднее время сохраняемости ,
средний срок службы
и средний ресурс
. Широко используются значения прямой и
дополнительной функций распределения для фиксированных значений времени.
Находят применение и квантили. Например, гамма–процентный срок службы изделия
(срок службы, к которому (100 – γ) процентов образцов изделия достигают предельного
состояния, или, что то же самое, срок службы, к которому образец изделия с вероятностью γ
/100 еще не выйдет в предельное состояние];
– (1 – γ/100)–квантиль случайной величины
;
– гамма–процентный ресурс
, в качестве которого используется
(1 – γ/100)–квантиль случайной величины ;
– гамма–процентный срок сохраняемости
, которым является
(1 – γ/100)– квантиль случайной величины .
На основе перечисленных выше показателей разработан и используется также ряд
комплексных показателей:
коэффициент готовности
;
(5.37)
коэффициент простоя
;
(5.38)
коэффициент оперативной готовности (вероятность безотказной работы в течение
фиксированного времени при произвольном моменте начала функционирования)
;
(5.39)
коэффициент технического использования (вероятность работоспособности в произвольно выбранный момент времени)
,
(5.40)
где
— средняя продолжительность одного сеанса технического обслуживания;
– коэффициент технического обслуживания, определяемый как отношение числа сеансов обслуживания за фиксированный интервал времени к среднему числу отказов изделия за тот же период.
Как уже отмечалось, в теории надежности часто используется выражение, в котором
функция интенсивности отказов называется интенсивностью отказов и обозначается λ (t).
175
Интенсивность отказов λ = ∆N/ (∆t * N) является отношение среднего числа изделий ∆N ,
отказавших в единицу времени ∆t, к числу изделий N, безотказно работающих в данный момент времени.
Интенсивность отказов и вероятность безотказной работы связаны между собой зависимостью, а именно:
.
(5.41)
Для большинства деталей и систем зависимость λ (t) графически можно изобразить в
виде кривой с тремя ярко выраженными периодами времени (рис. 5.8).
Первый период I
характеризует приработку деталей в процессе наладки,
опытной эксплуатации.
В это время проявляются скрытые дефекты.
Второй период II
характеризует нормальную эксплуатацию. В этот период λ (t) = const.
Отказы происходят вследствие случайных причин.
Третий период III
характеризует увеличение отказов за счет окончания сроков службы отдельных элементов и их ускоренного старения.
I II III
Рис. 5.8. Зависимость интенсивности отказов от времени
Основным периодом является период нормальной эксплуатации, для которого вероятность безотказной работы (этот закон изменения вероятности безотказной работы называется экспоненциальным)
,
(5.42)
а среднее время безотказной работы
.
(5.43)
Для большинства систем, элементы которых работают в условиях постоянства интенсивности отказов, вероятность безотказной работы может быть определена по формуле
,
(5.44)
где
— вероятность безотказной работы i–го элемента, отказ которого приводит к отказу всей системы;
— интенсивность отказов всей системы.
176
Тогда среднее время безотказной работы системы будет
.
(5.45)
Как видно из приведенных зависимостей, надежность определяется интенсивностью
отказов отдельных элементов системы λi в период ее нормальной эксплуатации. Значения λ
находят опытно–статистическим путем или по литературе.
Если условия эксплуатации не соответствуют нормальным, которые определены стандартом, то при расчете
учитывают коэффициенты нагрузки К — отношение рабочей
нагрузки (по току, силе, температуре и т. п.) к ее номинальному и рекомендуемому значению:
.
(5.46)
Необходимо иметь в виду, что приведенные нормы надежности весьма условны. Точные значения допустимых величин
могут быть определены из экономического анализа
технологического процесса и экономических потерь при отказах систем.
В качестве примера рассмотрим расчетно-экспериментальный метод оценки надежности зубчатого цилиндрического редуктора [21]. Структурная схема надежности включает
следующие элементы, отказ которых приводит к отказу всей системы: шариковые подши пники и зубчатые колеса.
Для подшипников принято вейбулловское распределение времени безотказной работы
с параметром по формуле:
,
где
(5.47)
– общее число оборотов за заданное время работы;
ω– угловая скорость в момент времени t;
=
– расчетная номинальная долговечность;
С – динамическая грузоподъемность подшипника;
Р – эквивалентная нагрузка.
При анализе надежности зубчатых колес различают поломку зубьев от больших перегрузок ударного или статического действия и усталостную поломку, возникающую от действия переменных напряжений изгиба и контактных напряжений в течение срока службы.
При расчете надежности изнашивание колес обычно не учитывают, так как оно не приводит к отказу системы, а может повлиять лишь на кинематическую точность.
Во многих случаях расчет надежности механических систем основан на анализе
напряжений.
Поломку колес вследствие больших перегрузок исключают, ограничив внешние моменты в передаче. Для анализа усталостной прочности определяют напряжения изгиба и
контактные напряжения.
Вероятность безотказной работы определяют как вероятность того, что действующие
напряжения находятся ниже пределов усталости по напряжениям изгиба
и контактным напряжением
:
(5.48)
При расчете полагают, что
их математические ожидания
ской обработки с помощью таблиц.
и
подчинены нормальному закону, причем
определяются в зависимости от термиче-
и
177
Обычно принимают, что коэффициент вариации положительных случайных величин
не превышает 1/4, поэтому дисперсию случайных величин
и
оценивают по
формулам
;
.
В результате
;
, (5.49)
где F — функция Лапласа.
Отметим, что вероятность безотказной работы, например, цилиндрического редуктора
машины равна произведению вероятностей безотказной работы отдельных колес, валов,
подшипников и других элементов, из которых собран редуктор.
Пути повышения надежности технической системы могут быть разные.
Например, повышение надежности систем может обеспечиваться их конструированием, технологией изготовлением и при эксплуатации.
Увеличение надежности при конструировании достигается [38]:
– блочным построением систем, что позволяет резко сократить стоимость и время ремонта; кратность резервирования может быть не более единицы даже при ожидаемых отказах третьей категории;
– выбором элементов с минимальными значениями интенсивностей отказов;
– назначением облегченных режимов работы элементов; например, при конструировании следует осторожно подходить к уменьшению габаритных размеров, так как это приводит
к более напряженным режимам работы;
– резервированием системы или ее элементов, при котором вероятность безотказной
работы
,
(4.50)
где Р – вероятность безотказной работы; k— кратность резервирования или число дополнительных резервных линий. Например, при Р = 95 % однократное резервирование повышает надежность до
= 99,75 %, а двукратное – до
= 99,99 %.
Повышение надежности на этапе изготовления может быть достигнуто за счет улучшения технологии изготовления элементов и их сборки, обеспечения геометрической и
функциональной взаимозаменяемости деталей и блоков, использованием материалов с достаточно стабильными свойствами.
Надежность может быть также повышена путем введения в технологический режим
изготовления процессов тренировки систем в условиях, близких к эксплуатационным.
На этапе эксплуатации надежность системы обеспечивается, прежде всего, нормальным режимом работы, своевременной сигнализацией о его изменении и зависит от квалификации обслуживающего персонала.
В виде примера найдем необходимую кратность резервирования измерительной системы скорости движения, состоящей из четырех блоков, если отказы, возникающие в них, относятся к третьей категории, а суммарная интенсивность отказов
. При времени работы системы 1000 ч вероятность безотказной работы одного блока
.
Вероятность безотказной работы системы, состоящей из четырех блоков,
. Для третьей категории отказов
178
.
Требуемая кратность резервирования
.
Итак, для обеспечения безотказной работы с вероятностью Р = 99,9 % в течение 1000 ч
требуется три резервных системы, кроме основной.
Как видно из приведенного примера, указанная система для заданных условий экон омически невыгодна; целесообразно перейти к разработке системы из более надежных элементов. При этом необходимо выяснить, какие из элементов машины строительного комплекса обладают наименьшей надежностью, и в дальнейшем предусмотреть, например, их
резервирование или найти новое конструктивное решение.
Надежность и показатели объекта, которые характеризуют его работу во времени,
определяют степень и характер изменений основных технических характеристик машин
строительного комплекса, происходящих в результате их эксплуатации.
Исследуя работоспособность машин строительного комплекса, следует различать два
аспекта. Первый – это работоспособность собственно самой техники с её эксплуатационными функциями и системой обслуживания.
Второй аспект касается технологий изготовления машин, где применяют поточные методы производства со всеми их плюсами и минусами.
Заданные условия эксплуатации предусматривают регламентацию уровня внешних
воздействий, а также методов технического обслуживания и ремонта, то есть система ремонта, затраты на ремонт и другие. Допустимые отклонения от установленных параметров определяются техническими условиями на данное изделие.
Например, для оборудования, на котором делают или ремонтируют машины строительного комплекса, – это заданные точность обработки и чистота обработанной поверхности, производительность оборудования, затраты времени и средств на его подналадку и ремонт, а также коэффициент полезного действия и другие показатели работоспособности.
Так как для современных машин безотказность работы – особенно важный показатель,
говорящий о свойствах изделия безотказно работать в течение заданного времени (или эквивалентного ему объема работы) в определенных условиях эксплуатации весьма важны.
Ранее указывалось, что важнейшим показателем надежности машин и оборудования
является вероятность безотказной работы изделия P(t) в пределах заданного времени t =T.
Вероятность безотказной работы P(t) 1 ( или коэффициент надежности) оценивает
вероятность того, что за период времени Т при заданных режимах работы и условиях эксплуатации машины отказ не возникнет.
Поэтому время Т, в течение которого гарантируется установленное значение безотказной работы P(t), является гарантированным сроком службы машины.
Например, если вероятность безотказной работы узла машины в течение t = 10000 ч.
работы равняется 0,95, то это означает, что из всего количества машин данной модели в
среднем около 5 % машин потеряет свою работоспособность раньше, чем через 10000 часов.
Отметим, что при оценке надежности машины важен факт прекращения нормального
функционирования машины (ее отказ) и не имеет значения время или средства, необходимые
для восстановления утраченной работоспособности.
Надежность машины характеризует лишь одну сторону сохранения её работоспособности с течением времени, при этом не рассматривается длительности всех тех отказов, которые возникают при эксплуатации и влияют на его работоспособность.
Ранее указывали, что долговечность – это свойство изделия сохранять работоспособность в течение всего срока службы, который ограничивается физической стойкостью изделия или экономическими факторами.
Однако, долговечность машин строительного комплекса характеризует их способность
выполнять свои рабочие функции с минимальными затратами на замену износившихся деталей, подналадку, ремонт и обслуживание.
179
Причем, чем меньше суммарные затраты времени и средств, идущих на восстановление работоспособности машины в течение всего периода его эксплуатации, тем выше его
долговечность.
Принято, что показателем долговечности работы машины может служить коэффициент
долговечности
, который равняется отношению времени фактической работы к суммарному времени работы машины и её простоев в ремонте, то есть
,
где
– время работы объекта за весь период эксплуатации;
– суммарное время
простоев машины по причине отказов (ремонт, регулировки ) за период эксплуатации.
Безразмерная величина коэффициент технического использования (или коэффициент у
долговечности) имеет значения
, поэтому чем выше его численная величина, тем долговечнее является строительная машина.
Коэффициент долговечности численно равен вероятности того, что в данный прои звольно взятый момент времени машина работает, а не ремонтируется.
Например, если
= 0,96, то это означает, что 96 % времени машина работает, а 4 %
простаивает за весь период эксплуатации. Вероятность того, что машина работает в данное
произвольно взятое время, а не находится в ремонте, составляет 0,96.
Простои машин, снижающие её долговечность, вызываются различными причинами,
но, в первую очередь, выходом из строя некоторых деталей, потерей работоспособности п ередач и механизмов, изменением начальных служебных характеристик машины (мощность,
виброустойчивоcть).
Напомним, что надежность и долговечность – это не идентичные понятия, они отражают разные стороны одного явления. Это характерно для систем, когда объект работает с
высокой степенью безотказности в заданный период времени, а затем выходит из строя из–за
износа, например, узлов двигателя.
При этом на восстановление его работоспособности затрачивается много времени и
средств. Поэтому такая машина имеет высокое значение коэффициента надежности P(t) и
низкое значение коэффициента долговечности
.
Машина может быть долговечным объектом, но не очень надежным. Например, прицепной скрепер выпуска 70–х годов можно до сих пор встретить на дорогах сельской местности, но лишь их владельцы знают, сколько времени они провели, ремонтируя любимую
машину.
Это характерно для случая, когда заданный период времени машина работает с низкой
степенью безотказности. Такая машина часто нуждается в постоянной подналадке и ремонте.
Однако время, которое затрачивается на восстановление работоспособности машин ,
невелико. Более того оно требуется для быстрой замены недорогой детали, выходящей из
строя. При этом малы и другие затраты на ремонт. В этом случае машина имеет низкое зн ачение P(t) и высокое
.
Укажем, что вычисляемые показатели надежности и долговечности любой машины
связаны со сроками службы ее деталей и элементов.
5.7. Общая классификация передаточных механизмов
и конструктивные требования к основным узлам машин
Все элементарные передаточные механизмы любых машин, в том числе строительного
комплекса, можно классифицировать по ряду признаков, например, по конструктивному
выполнению, кинематическим и динамическим параметрам, точности. Наиболее важными
из указанных признаков являются конструктивный и кинематический.
180
По конструктивному признаку все передаточные механизмы могут быть разделены на
восемь групп (рис. 5.9). Все группы, кроме одной (винтовые механизмы), подразделяются
на подгруппы [35].
Передаточные механизмы классифицируют по виду преобразования движения и по преобразованию скорости.
По виду преобразования движений различают:
а) вращательного во вращательное – зубчатые (колесо – шестерня, сектор – шестерня),
червячные, кулачковые с качающимся толкателем;
б) вращательного в поступательное – кривошипно-ползунные, зубчатые
(шестерня–рейка), винтовые, кулачковые с поступательно
движущимся толкателем и другие;
в) поступательного во вращательное – синусные и тангенсные,
зубчатые (рейка – шестерня) и др.;
г) поступательного в поступательное – это двойные синусные или тангенсные.
181
Рис. 5.9. Классификация передаточных механизмов
182
По преобразованию скорости движения передаточные механизмы классифицируют: с постоянным отношением скоростей (зубчатые, фрикционные, червячные); с переменным отношением скоростей.
Характерная особенность механизмов с переменным отношением скоростей заключается в том, что одно из звеньев (ведущее или ведомое) находится в равномерном движении,
в то время как скорость движения другого звена может подчиняться любому более сложн ому заданному закону (например, механизмы синусные и тангенсные, поводковые, кривошипно-ползунные, кулачковые).
К этой же группе относятся механизмы прерывистого движения, у которых равномерное движение ведущего звена преобразуется в пульсирующее движение ведомого (мальти йские и храповые механизмы).
При рассмотрении кинематики механизмов условимся первое слово относить к ведущему звену, а второе – к ведомому. Например, если рассматривается передача колесо–
шестерня, ведущим является колесо, и, наоборот, в передаче шестерня–колесо оно является
ведомым. Таковы особенности общих вопросов классификации передаточных механизмов.
Конструктивные требования к основным узлам машин.
Большинство систем современных машин представляет собой сложные комплексы, в
которых сочетаются электрические, электронные, гидравлические, пневматические, измерительные и другие цепи с механическими цепями или передаточными механизмами. От качества функционирования любого механизма в значительной степени зависит качество узлов
и всех систем машин строительного комплекса.
Основное назначение механизма в машине заключается в передаче энергии от источника движения к рабочему органу с одновременным преобразованием скоростей движения
звеньев. Передаточные механизмы выполняют следующие дополнительные функции:
– преобразование перемещения первичного преобразователя движений к вторичному
и передачу их на исполнительный орган;
– преобразование характеристик механического сигнала (скорости, ускорения) в перемещения, воздействующие на электрические, гидравлические или иные преобразователи и
органы;
– обширный ряд эксплуатационных операций (включение или выключение узлов, переключение диапазонов регулирования, настройку, дистанционное управление, работу измерительной системы и другие;
– вычислительные математические операции (суммирование, логарифмирование,
дифференцирование);
– обеспечение взаимосвязей подсистем машины с прицепом и другие.
– вычислительные математические операции (суммирование, логарифмирование,
дифференцирование);
– обеспечение взаимосвязей подсистем машины с прицепом.
При проектировании любых объектов возникает необходимость выполнять различные
требования, что вызвано различием конструкций. Например, к передаточным механизмам
предъявляют следующие требования:
– заданной точности преобразования движения рабочих органов по заданной функциональной зависимости;
– высокие показатели прочности и жесткости элементов механизмов объекта в целом
при передаче усилий и моментов;
– технологичности конструкции, невысокой материалоемкости, минимальных габаритных размеров и массы;
– простоты и надежности регулировки, высокого КПД, малой чувствительности к температурным изменениям и вибрациям и колебательным процессам; – наименьшей стоимости проектирования и изготовления и прочие.
183
При разработке конструкции любого механизма необходимо иметь в виду, что выполнение всех перечисленных требований затруднительно, так как некоторые из них могут
противоречить одно другому.
Например, повышение точностных характеристик траекторий рабочих органов всегда
приводит к увеличению стоимости проектирования и изготовления. Повышение прочности
и жесткости отдельных звеньев – к увеличению габаритных размеров и массы.
Нечувствительность к температурным изменениям достигается за счет введения сп ециальных компенсационных узлов, что, безусловно, усложняет механизм.
Разработка оптимальных вариантов конструкций узлов машин строительного комплекса в
целом может быть выполнена только применительно к конкретной задаче с учетом условий реализуемого метода движения, изготовления технической системы и её эксплуатации.
Анализ всего многообразия реальных механизмов систем показывает, что их кинематические цепи состоят из простейших, как правило, трех– или четырехзвенных механизмов,
соединенных между собой.
Наиболее распространено в схемах машин следующие соединение п механизмов: последовательное, параллельное и встречно–параллельное.
Последовательное соединение п механизмов дано на рис. 5.10, а.
(5.51)
.
Параллельное соединение п механизмов с функциями перемещения
и передаточными отношениями
, для всей цепи имеет вид (рис. 5.10, б)
;
.
(
5.52)
Рис. 5.10. Соединение механизмов: а) последовательное; 6) параллельное;
в) встречно–параллельное
184
Встречно-параллельное соединение двух механизмов с функциями перемещения
и
и передаточными отношениями
и
, а для всей
двухэлементной ячейки, как это приведено на рис. 5.10, в.
;
.
(5.53)
Таковы некоторые уточнения вопросов классификации и конструктивных признаков,
влияющих на работоспособности технических систем.
Таким образом, в данной главе представлены основные особенности применения теории надежности, направленные на повышение работоспособности машин строительного
комплекса.
Контрольные вопросы
1. Укажите особенности информационной модели, построенной по
принципу «вход — выход».
2. Что такое уровни иерархической совокупности свойств машин?
3. Что такое показатель надежности машины строительного комплекса?
4. Что такое безотказность машины строительного комплекса?
5. Что такое долговечность машины строительного комплекса?
6. Что такое ремонтопригодность машины строительного комплекса?
7. Что такое сохраняемость машины строительного комплекса?
8. Что такое предельное состояние машины строительного комплекса?
9. Что понимают под сроком службы машины строительного комплекса?
10. Что понимают под наработкой машины строительного комплекса?
11. Что называют отказом машины, какие бывают отказы?
12. Какие вы знаете основные показатели долговечности машин?
13. Перечислите источники возникновения погрешностей узлов машин.
14. Что понимают под коэффициентом долговечности машины?
15. Какие вы знаете основные показатели ремонтопригодность машин?
16 .Что такое показатели безотказности машины строительного комплекса?
17. Чем обусловлено возникновение погрешностей работы?
18. Что такое плотность вероятности значений случайной величины?
19. Расскажите о графике плотности распределения вероятностей
непрерывных случайных величин.
20. Расскажите о распределении по закону равной вероятности.
21. Экспоненциальный закон распределение вероятностей случайной величины.
22. Расскажите о распределении по нормальному закону (закону Гаусса).
23. Приведите пример графического изображения статистических законов
распределения: гистограмма и полигон распределения.
24. Как определить коэффициент готовности, коэффициент простоя,
коэффициент оперативной готовности объекта?
25. Отобразите графически зависимость интенсивности отказов от времени.
26. Расскажитеоб общей классификации передаточных механизмов.
27. Укажите конструктивные требования к основным узлам машин.
185
Глава 6. ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТЬЮ
И РАБОТОСПОСОБНОСТЬЮ МАШИН СТРОИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА
6.1. Требования к надежности элементов машин и её составляющим элементам
Технологические и конструктивные способы обеспечения требуемых показателей
надежности деталей в большинстве своем являются общими для машин различного назначения. Рассмотрим некоторые вопросы обеспечения надежности машин, возникающие при их
создании и эксплуатации.
Опыт подтвердил, что большинство деталей строительных машин выходят из строя по
причине усталости и износа. Следовательно, необходимо при проектировании машин пров ерять соответствие конструкторской документации требуемым показателям эксплуатационной надежности машины. В целом это может быть осуществлено лишь при рациональном
учете составленных требованиях к показателям надежности элементов машин на всех этапах.
Проверка выполнения этих требований на ранних этапах разработки может быть эффективно выполнена с помощью аналитических методов прогнозирования показателей
надежности всех элементов машин.
Таким образом, на этапах ЖЦИ необходима разработка требований к надежности элементов машин. Чтобы выполнить эту задачу качественно, необходимо провести анализ как к
отдельным элементам и узлам, так и к подсистемам и системам машин. Поэтому необходимо
проведение рационального расчленения машин на составляющие элементы.
Важной задачей разработки требований к надежности элементов машин является обоснование нормативных значений, обеспечивающих требуемые показатели надежности машин
в целом при минимальных затратах. Одновременно эти требования являются контролируемыми параметрами отдельных процессов проектирования, разработки, эксплуатации. Как
показывает опыт, конкретизация требований к показателям надежности отдельных элементов машин может меняться в процессе разработки в зависимости от уточнения возможностей
их реализации, стоимостных факторов.
Исследуя положительный опыт ведущих производителей, можно утверждать, что и сходными данными для разработки требований к показателям надежности элементов машин
являются следующие:
нормативные значения показателей в целом;
рыночная (лимитная) цена машины строительного комплекса ;
типовые условия и режимы работы элементов машины и её самой (включая экстремальные условия эксплуатации);
характеристика отказов (предельного состояния) элементов;
предположение о законе распределения отдельных параметров;
конструктивные схемы машины в целом и ее элементов машины.
Исходя из накопленного опыта машину, целесообразно расчленять на подсистемы,
подсистемы – на агрегаты, агрегаты – на узлы и узлы – на сборочные единицы и детали.
Типичные подсистемы строительных технологических машин приведены во второй
главе (2.2 и 2.3 – базовые машины и ходовые устройства машин строительного комплекса).
Всякая строительная технологическая машина состоит из принципиально одинаковых
базовых узлов. Типовая самоходная строительная машина содержит следующие основные
подсистемы (агрегаты и узлы): силовая установка с трансмиссией (привод), ходовая система
(шасси), несущая система (рама), рабочее оборудование (рабочий орган) электрическая система, гидравлическая система, навесная (прицепная система), системы управления и прочие.
Каждая система имеет свою принципиальную схему, например, типичная силовая установка
с трансмиссией содержит агрегаты: двигатель, коробку перемены передач, задний мост, передний мост, привод рабочего органа и др.
186
Обычно, исследуя надежность машины, на первоначальном этапе решения данной задачи производят членение машины на составляющие элементы. Здесь можно руководствоваться следующими соображениями. В первую очередь следует стремиться разбить машину
на части, отказ одной из которых не должен изменять надежность других. Предполагают, что
эти части будут отказывать независимо друг от друга.
При таком расчленении представляется возможным использовать сравнительно н есложный теоретический аппарат. С другой стороны, с учетом распространенного агрегатно–
узлового метода ремонта, следует стремиться расчленить машину на части, большинство из
которых можно ремонтировать независимо от других частей.
По функциональному признаку машину делят на составные части. При этом под агрегатом понимают часть машины, включающую узлы и детали, объединенные в конструктивный комплекс, имеющий общую корпусную (базовую) деталь и выполняющий законченную
рабочую функцию.
Примерами агрегатов может быть двигатель в сборе, коробка перемены передач и т. п.
Под узлом в общем случае понимают несколько сопрягающихся между собой деталей,
имеющих несколько сопряженных поверхностей. К узлам ходовой части относят, например,
несущую раму, поддерживающие и опорные катки, гусеницу, натяжной механизм, приводное и ведомое колесо.
При разбивке на подсистемы, агрегаты и узлы руководствуются удобствами последующего анализа надежности. Обычно оговаривают конкретно элементы, входящие в определенную часть. Так, проводя разбивку, например, двигателя на составные части при анализе
его надежности, различают блок цилиндров, кривошипно-шатунный механизм, головку цилиндра и клапанный механизм, систему охлаждения, систему смазки, топливную систему и
управление, всасывание и выхлоп, систему запуска и другие вспомогательные системы.
В связи с тем, что большое количество машин строительного комплекса изготавливают
на базе тракторов и автомобилей, следует учитывать сложившийся в соответствующих отраслях опыт членения машины на части. Кратко укажем некоторые особенности основных
узлов машин.
Остов машины (платформа или рама) служит для размещения на ней рабочих органов,
силовой установки, трансмиссии, системы управления и другого оборудования. Ему следует
уделять особое внимание.
Типовая ходовая часть вместе с платформой является основанием или опорой машины
на поверхность и обеспечивает её мобильность. Она, поддерживая раму, передает давление
от веса машины на поверхность дороги или грунта и служит для передвижения машины при
работе или транспортировке. Следовательно, её надо рассматривать во взаимосвязи с грунтом – дорогой.
Рабочий орган предназначен для производства машиной рабочих операций и является
основной главной по предназначению технологической частью. Конструкция рабочего органа определяется назначением машины, поэтому следует учитывать её специфику.
Силовая установка является источником энергии для привода в действие рабочего органа и механизмов машины при выполнении требуемых рабочих операций и передвижении в
пространстве.
Силовая передача (трансмиссия) обеспечивает передачу энергии, выработанной двигателем, силовой установкой к рабочим органам и ходовой части машины.
Система управления обеспечивает управление рабочими органами, силовой установкой
и другими механизмами машины. Содержащие электронные узлы, в отличи е от вышеуказанных механических средств, имеют, как электронные средства, свою специфику в области
надежности.
Таким образом, чтобы осуществить работы по повышению надежности и эффективности эксплуатируемых машин, надо исследовать как работу всей машины, во взаимосвязи её
подсистем, так и определить вклад в интегральный показатель надежности и долговечности
187
всех базовых агрегатов, узлов и деталей. Причем необходимо изучить, установить влияние
каждого элемента, имеющихся взаимосвязей на работоспособность машины в целом, в том
числе в динамике и экстремальных условиях эксплуатации.
6.2. Выбор номенклатуры показателей надежности машин
и принципы обеспечения надежности
Принципы обеспечения надежности. Одним из важнейших путей повышения эффективности производства является повышение надежности машин, особенно при интенсификации процессов их эксплуатации. Чтобы решить, что является одним из важнейших вопросов
со стороны потребителя, необходима строгая система обеспечения надежности машин. К тому же веяние времени требуют уменьшение сроков на создание машин вследствие роста технического прогресса, несмотря на повышение сложности машин и оборудования. Все это
привело к росту затрат на достижение и обеспечение надежности систем.
Система обеспечения надежности машин строится на идеологии ЖЦИ. Совокупность
процессов на всех указанных этапах ЖЦИ, направленных на обеспечение заданного уровня
надежности, следует рассматривать как систему обеспечения надежности. Особенностью такой системы является тесные взаимосвязи современных интеллектуальных информационных
технологий, средств САПР и АСУ производств, а также продуманных эффективных действий при эксплуатации.
Разработанные в СССР, современные российские и зарубежные системы, как правило,
ориентированы на идеологию ИСО. В ней прописаны все требования процессного подхода к
технической системе. Отлаженные модели для каждого этапа, начиная от проектирования,
через производство и до эксплуатации, являются гарантированным обеспечением надежности любой системы. Это относится и к машинам строительного комплекса.
Выбор номенклатуры показателей надежности строительных машин и оборудования. Рассмотренные в предыдущей главе показатели надежности технических объектов
дают возможность выбрать и целесообразно использовать любые из них для решения встречающихся на практике задач надежности строительных машин. Однако всегда возникает
необходимость в установлении рационального диапазона номенклатуры этих показателей.
Считается [19], что в общем случае выбор рациональной номенклатуры показателей
надежности включает следующие этапы:
установление цели;
установление перечня ограничений;
выбор схемы принятия решений;
формирование множества альтернативных вариантов решений;
установление методов принятия решений;
выбор критериев для оценки различных вариантов;
оценка вариантов решений по выбранным методам;
создание решающего правила для принятия решений;
выбор оптимального варианта.
Рассмотрим кратко указанные этапы применительно к определению рациональной н оменклатуры показателей надежности.
К основным целям выбора номенклатуры показателей надежности относятся: планирование; регламентация требований при составлении технического задания на вновь создаваемую или модернизируемую машину; оценка фактического уровня надежности машины. При
отсутствии априорных сведений выбор номенклатуры показателей надежности целесообразно производить по каждой цели в отдельности [19].
Для всех целевых назначений номенклатура показателей надежности изделий должна:
– быть достаточной для того, чтобы наиболее полно характеризовать технические, технологические, эксплуатационные и экономические свойства и особенности продукции;
188
быть минимальной, чтобы не ограничивать выбор конструктивного решения и
возможности систематического совершенствования продукции;
сохраняться неизменной в течение длительного времени, что обеспечит возможность сравнительной оценки последующих технических совершенствований
и конструктивных модификаций изделий;
не включать взаимозаменяемые или взаимозависимые показатели, значения которых можно подсчитать, если известны значения других показателей, оказывающих решающее влияние на величину эффекта от эксплуатации;
позволять устанавливать требования к надежности входящих в изделие частей.
Выбор номенклатуры показателей надежности может производиться по дифференциальной или интегральной схеме. В первом случае предварительно решают, какие свойства
должна отражать номенклатура показателей надежности. После чего для выбранных свойств
устанавливают конкретные показатели, которые подлежат нормированию.
При интегральной схеме принятия решений устанавливают полный перечень возможных показателей надежности без их дифференциации по свойствам. Отыскание оптимальн ого варианта производят путем исключения показателей, которые согласно оценке по выбранным критериям не должны подлежать нормированию. Применимость той или иной схемы обусловливается информационным обеспечением задачи.
Для каждой из рассмотренных схем выбора оптимального варианта номенклатуры п оказателей при необходимости формируют множество альтернативных вариантов решений
для последующей оценки каждого варианта и выбора наилучшего решения, отвечающего поставленной схеме.
Метод принятия решения выбирается в зависимости от цели выбора номенклатуры п оказателей надежности и информационной обеспеченности. Каждый метод может содержать
один или несколько критериев, согласно которым проводится оценка целесообразности
включения отдельных показателей в их искомую номенклатуру.
Набор критериев должен определяться в зависимости от целевого назначения решения
задачи и удовлетворять следующим требованиям: быть необходимым, то есть обеспечивать
однозначное определение наилучшего варианта из всего множества; быть достаточным, чтобы отвечать условию, когда добавление новых критериев и оценок по ним не приводит к и зменению полученных результатов; смысл каждого критерия должен быть понятен и однозначен для лиц, производящих оценку.
Используемые критерии могут давать количественную и качественную оценку. Количественные шкалы должны давать оценку значимости или целесообразности использования
отдельных показателей в виде некоторых чисел. Качественные оценки могут быть в виде
альтернативных оценок «да», «нет» или в виде уровня важности («важный», «средний», «малозначимый»).
Создание решающего правила сводится к установлению некоторых количественных
нормативов в выбранном критерии, в зависимости от величины которого принимается однозначное решение о включении (или не включении) оцениваемого показателя в искомую номенклатуру. В число критериев могут входить, например, показатели эффективности использования техники, конкурентоспособности на мировом рынке.
В конечном итоге при решении каждой из задач должен определяться рациональный
уровень показателей надежности отдельных машин, обеспечивающий выполнение заданного
уровня экономической эффективности строительного производства.
Планы повышения эффективности строительного производства разрабатываются по единой
системе показателей. В число основных показателей эффективности строительного прои зводства входят следующие:
темпы роста строительно-монтажных работ;
общая рентабельность;
темпы роста производительности труда;
189
экономия живого труда;
фондоотдача (величина выполняемых работ на 1 рубль среднегодовой стоимости основных производственных фондов);
отношение прироста прибыли к вызвавшим этот прирост капитальным вложениям;
срок окупаемости капитальных вложений (отношение капитальных вложений к сумме прироста прибыли, учтенной за счет этих капитальных вложений).
Значимость отдельных показателей может быть определена с помощью вычисления,
коэффициента эластичности Еэл [19], а также других показателей.
Величина Еэл может быть определена как
Еэл = (дЗ / дyt ) (уС / ЗС ),
(6.1)
где (дЗ / дyt ) – частная производная ресурсов (объемов работ) по величине показателя
надежности yt; уС и ЗС – средние значения показателей надежности и ресурсов.
Коэффициент эластичности Eэлi показывает, на сколько процентов возрастут или
уменьшатся затраты при увеличении показателя надежности определенного вида на 1 % и
неизменной величине других показателей.
Данный коэффициент не зависит от единиц изм