Пути повышения надежности машин в эксплуатации

Один из наиболее эффективных путей повышения надежности машин в эксплуатации – своевременное и тщательное техническое обслуживание (ТО). Всякое нарушение сроков выполнения операций ТО создает условия для возникновения неисправностей и отказав машин. Так, например, несвоевременная очистка воздухоочистителей вызывает повышенный расход топлива, дымный выпуск, перегрев поршней, цилиндров и поршневых колец, ускоряет процесс старения масла. В результате этого значительно возрастает скорость изнашивания деталей двигателя.

Не менее важно проведение ТО в полном объеме при широком использовании диагностических средств. Это позволяет выявить неисправности в самом начале их зарождения, определить техническое состояние сборочных единиц, установить общий объем профилактических и ремонтных операций, а также предотвратить неисправности и отказы.

Все это дает возможность наиболее полно использовать ресурс машин при одновременном снижении затрат денежных средств на их ТО и ремонт. Одно из важнейших мероприятий в этой области – организация ТО с помощью специализированных звеньев мастеров–наладчиков хозяйств и центральных пунктов технического обслуживания.

К эффективным путям повышения надежности машин относятся, соблюдение правил их хранения и обкатки в условиях эксплуатации. Тщательное выполнение условий хранения, а также работ по очистке от грязи и пыли, восстановлению лакокрасочных покрытий, консервации, герметизации, снятию основных частей и деталей для специального хранения, контролю и обслуживанию машин в период их хранения позволяет снизить интенсивность протекания коррозионных процессов и тем самым существенно уменьшить вероятность появления неисправностей и отказов.

Выполнение правил эксплуатационной обкатки машин способствует хорошей приработке поверхностей трения и продолжительной и бесперебойной работе.

В условиях эксплуатации надежность машин может быть значительно повышена. Для этого необходимо соблюдать нагрузочные, тепловые и скоростные режимы работы, внедрять механизированную заправку машин высококачественными топливосмазочными материалами (ТСМ), умело управлять и применять передовые организационные приемы работы на машинах. Следует помнить, что перегрузка машин – одна из причин возникновения неисправностей и отказов сборочных единиц. Частые остановки двигателей с последующим пуском, а также замедленное их прогревание в холодную погоду ухудшают условия смазывания сопряженных поверхностей и увеличивают износ цилиндров и других деталей двигателей. Заправка машин ТСМ открытым способом создает условия для свободного попадания абразивных частиц на поверхности трения, что приводит к интенсивному их изнашиванию.

Чтобы повысить надежность отремонтированных машин, нужно внедрять в практику ремонтных работ универсальные и специальные стенды и приспособления для разборочно–сборочных работ. Последние позволяют точнее соблюдать соосность сопряженных частей, исключают необходимость применять ударные инструменты, уменьшают вероятность появления перекосов, деформаций и других неисправностей деталей, или, иначе говоря, создают условия для длительной работы сопряженных пар. Не менее важно внедрять такие способы очистки, которые способствуют удалению с поверхностей деталей и сборочных единиц неорганических и углеродистых отложений и тем самым восстанавливают их нормальную работу.

Следует применять технологические процессы восстановления деталей с заданной точностью и стабильностью, как по размерам, так и по физико–механическим свойствам. При проведении ремонтов технологические приемы восстановления деталей надо назначать в соответствии с условиями их работы. В частности, изношенные поверхности деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания, желательно наплавлять твердыми сплавами, покрывать хромом и другими износостойкими материалами. Необходимо использовать такие способы окончательной обработки, которые позволяют получать чистоту и точность обработки поверхностей трения, соответствующие условиям их работы. Всякое отклонение создает условия для возрастания скорости их изнашивания.

Для повышения надежности отремонтированных машин служат контрольные, обкаточные и другие стенды, способствующие высококачественному выполнению всех ремонтных операций.

Надежность отремонтированных машин можно также значительно повысить за счет организации централизованного восстановления деталей и сборочных единиц, а также внедрения агрегатного метода ремонта, метода плановой замены ремонтных комплектов и других мероприятий, улучшающих технологию и качество ремонта машин.

Таким образом, в период эксплуатации надежность машин обеспечивается проведением ряда организационных и технологических мероприятий. Главными из них являются: своевременное и тщательное выполнение системы технического обслуживания, диагностирования, хранения и ремонта машин. Комплексное и оперативное проведение работ по указанным направлениям дает возможность существенно повысить надежность машин.

Следует помнить, что полная реализация надежности машин дает большой эффект за счет сокращения простоев и увеличения производительности машин, снижения затрат на текущие и капитальные ремонты и уменьшения потребности в запасных частях.

Методы повышения надежности машин при различных воздей-ствиях

К основным направлениям повышения надежности машин относятся кон-структивные, технологические, эксплуатационные и ремонтные.

Основными конструктивными направлениями повышения надежности машин являются: оптимизация конструктивных схем машин (снижение числа составных частей и повышение вероятности их безотказной работы); выбор долговечных материалов деталей и их рациональное сочетание в парах трения; обеспечение надлежащей конфигурации деталей (особенно в местах располо-жения галтелей, канавок и надрезов с целью снижения концентрации напряже-ний при воздействии динамических и циклических нагрузок) и достаточной жесткости и устойчивости к вибрациям базовых деталей машин; обеспечение надлежащей герметизации подвижных и неподвижных соединений деталей машин; создание оптимальных условий работы пар трения (нагрузка, скорость) для наименьших потерь на трение; обеспечение оптимальных температурных режимов работы соединений и агрегатов, а также надежной смазки трущихся поверхностей; создание эффективных устройств очистки воздуха, топлива и масел; резервирование отдельных составных частей машин и др.

Основными технологическими направлениями повышения надежности являются: обеспечение необходимой точности изготовления деталей; обеспече-ние оптимального качества рабочих поверхностей (шероховатость, волнистость и др.); повышение износостойкости, статической и циклической прочности де-талей термической обработкой; упрочнение деталей химико-термической обра-боткой (цементация, азотирование и др.): упрочнение деталей поверхностным пластическим деформированием (обкатка или раскатка шариками и роликами, алмазное выглаживание, чеканка, дробеструйная обработка); нанесение на ра-бочие поверхности деталей машин износостойких покрытий (наплавка твердых сплавов, нанесение хромовых покрытий гальваническим методом и др.); уста-новка втулок, колец и вставок из износостойких материалов; проведение искус-ственного старения чугунных деталей (блоки цилиндров, головки цилиндров,

корпуса задних мостов и коробок передач); статическая и динамическая балан-сировка деталей и сборочных единиц; повышение точности сборки и качества окраски агрегатов и машин в целом.

Основные эксплуатационные направления повышения надежности. Качественная обкатка новых и отремонтированных машин в хозяйстве. В

процессе правильной эксплуатационной обкатки в течение 30. 60 ч постепенно уменьшается шероховатость поверхности, снижается высота микронеровно-стей, волнистость, увеличивается фактическая площадь контакта сопрягаемых деталей. В результате резко уменьшаются удельные нагрузки, коэффициент трения, интенсивность изнашивания, повышается долговечность деталей и со-единений.

Организация качественного технического обслуживания и создание для его проведения необходимой материальной базы. Высокие показатели надеж-ности машин характерны для хозяйств с высокой степенью организации учета наработок машин, соблюдающих периодичность технических обслуживании, качественно выполняющих все операции технического обслуживания, распола-гающих стационарными пунктами технического обслуживания и звеньями ма-стеров-наладчиков, применяющих моечное, смазочное, диагностическое и ре-гулировочное оборудование, средства механизации.

Внедрение в техническую эксплуатацию машин диагностирования, что позволит уменьшить простои тракторов на устранении отказов и неисправно-стей в 1,5. 2 раза, сократить затраты на ремонт в 1,3. 1,5 раза, повысить ре-сурс машин.

Соблюдение оптимальных режимов работы машин. Износы, безотказ-ность и долговечность машин зависят от режимов их работы. Особенное влия-ние на надежность оказывает тепловой режим работы агрегатов. Пуск не про-гретого двигателя и работа при пониженной температуре увеличивают износ его основных деталей в несколько раз.

На работу двигателя отрицательно влияет и перегрев, при котором наблюдается форсированный износ деталей. При повышении температуры

охлаждающей жидкости до 115°С суммарный износ увеличивается в 1,5 раза по сравнению с износом при нормальном тепловом режиме.

На износ деталей машин оказывает влияние величина и характер нагруз-ки, скоростной режим. При неустановившихся нагрузках и скоростных режи-мах работы интенсивность изнашивания верхних поршневых колец повышается

в 2,5. 3,5 раза, поршней — в 1,2. 2,5 раза.

Соблюдение рекомендаций заводов-изготовителей по применению топ-лива и смазочных материалов. Так, износ деталей дизелей зависит от цетаново-го числа дизельного топлива. При его снижении с 68 до 31 увеличивается износ гильз цилиндров почти в 2 раза.

Еще большее влияние на износ деталей и долговечность машин оказыва-ют смазочные материалы.

Соблюдение установленных правил хранения машин.

Повышение уровня квалификации механизаторов, мастеров по техниче-скому обслуживанию и ремонту машинно-тракторного парка и других специа-листов.

Совершенствование организации инженерной службы хозяйства.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Основные методы повышения надежности машин

Как отмечалось, надежность закладывается на этапе проектирования и конструирования машины, а на последующих этапах – при изготовлении и эксплуатации – реализуется и поддерживается на заданном уровне. На всех перечисленных этапах существуют значительные возможности для обеспечения требуемого или повышения существующего уровня надежности. Эти возможности можно реализовать с помощью различных методов, которые целесообразно разделить на конструктивные, технологические и эксплуатационные.

Конструктивные методы предусматривают создание необходимых запасов прочности металлоконструкций, упрощение конструкций, использование стандартных деталей и узлов, обеспечение ремонтопригодности, обоснование применения методов резервирования и многое другое. К конструктивным методам повышения надежности относятся:

1) выбор конструктивных решений сборочных единиц, узлов и агрегатов, обеспечивающих наиболее рациональную схему машины с сохранением работоспособности в широком диапазоне изменения рабочих параметров;

2) совершенствование конструкции деталей, узлов и механизмов машины, их проектирование под энерго- и трудосберегающие технологические процессы изготовления;

3) рациональная компоновка узлов и агрегатов машины, обеспечивающая повышение ремонтопригодности и упрощение технического обслуживания;

4) совершенствование схем унификации и агрегатирования блоков и сборочных единиц, повышение уровня стандартизации деталей, узлов и агрегатов машины;

5) выбор конструкционных материалов со стабильными и высокими физико-механическими характеристиками, расширение применения высокопрочных и высокомодульных композиционных материалов на основе полимерных (и металлических) матриц и волокнистых наполнителей;

6) применение триботехнических (антифрикционных, фрикционных) материалов с высокой износостойкостью и стабильными значениями коэффициента трения для деталей узлов трения машин;

7) использование смазочных материалов, обеспечивающих работоспособность узлов трения машин в широком диапазоне рабочих нагрузок и скоростей.

Значительным резервом в обеспечении заданных параметров надежности является повышение точности оценки действующих при эксплуатации нагрузок и их влияния на работу различных механизмов машины, а также учет реальных условий, отражающих специфику работы машины (ее узлов, сборочных единиц и механизмов), что особенно важно при динамических нагрузках и неустановившихся режимах ее эксплуатации.

Важным фактором нормальной эксплуатации машины является использование средств автоматизации, в том числе автоматических регуляторов, предохранительных и предельных устройств, предохраняющих узлы и агрегаты машины от перегрузок и исключающих их эксплуатацию в экстремальных условиях.

При разработке машин следует оптимизировать конструкцию за счет выбора более простых схем с ограниченным числом деталей и сборочных единиц и их более рациональной компоновки.

Большое значение в повышении надежности машин и их узлов имеют унификация, типизация, агрегатирование и другие методы стандартизации.

Унификация направлена на рациональное сокращение многообразия типов конструкций, узлов, материалов, процессов изготовления, размеров и других параметров изделий одинакового функционального назначения.

Типизация заключается в разработке и применении однотипных конструкций и узлов, технологических процессов, организационных и других решений.

Агрегатирование состоит в разработке машин и механизмов путем их сборки из однотипного числа стандартных или унифицированных деталей, отличающихся взаимозаменяемостью.

Характерным примером использования указанных методов стандартизации являются одноковшовые гидравлические экскаваторы. Как известно, их блочная конструкция в несколько раз сокращает сроки и трудоемкость монтажа экскаваторов и существенно повышает их ремонтопригодность.

По ряду узлов (двигатели внутреннего сгорания, электрические и гидравлические двигатели, гидроаппаратура, узлы и элементы управления и др.) унификация охватывает несколько соседних типоразмеров. По некоторым узлам (гидронасосы, гидроцилиндры, колеса, гидро- и пневмодвигатели и др.) унификация охватывает большую часть различных групп. При этом экскаваторы обладают универсальностью, которая достигается большим числом различных сменных элементов рабочих органов, ковшей, рукоятей, наголовников стрел и др. Благодаря этому заводы изготавливают унифицированные ряды гидравлических экскаваторов, которые при наличии 10–12 базовых моделей имеют более 80 модификаций машин различного назначения. При этом количество деталей, необходимых для их выпуска, в 6–7 раз меньше числа деталей при индивидуальном производстве.

Помимо сокращения номенклатуры деталей, узлов и агрегатов и повышения ремонтопригодности машин, стандартизация позволяет организовать производство на специализированных заводах, что приводит к снижению стоимости их изготовления и повышению надежности выпускаемых изделий. При этом уменьшаются затраты на капитальный ремонт, снижается потребность в запасных частях, уменьшаются количество и номенклатура ремонтных средств, а также снижаются требования к квалификации обслуживающего персонала.

Значительную роль в обеспечении надежности машин играет выбор конструкционных, триботехнических и смазочных материалов с учетом условий эксплуатации соответствующих деталей, конструкций, узлов и агрегатов машин.

Долговечность машины во многом зависит от силовых элементов несущих металлоконструкций. Для деталей, работающих в стационарных условиях нагружения, как правило, используют углеродистые стали, для деталей, эксплуатирующихся в условиях переменных нагрузок, – легированные стали. В зависимости от условий нагружения и внешних факторов следует подбирать материалы, обеспечивающие требуемые показатели надежности.

Отказы по критерию статической прочности являются наиболее характерными для деталей и узлов ходового оборудования и рабочих органов. Отказы по критерию усталостной прочности возникают, как правило, для приводов рабочих органов, а также для деталей двигателей и элементов трансмиссий.

Выбор материалов со стабильными механическими характеристиками, которые имеют низкий разброс параметров прочности, снижает вероятность разрушения и увеличивает ресурс детали. Использование материалов с высокими показателями механических характеристик позволяет уменьшить массу проектируемых деталей и снизить удельную материалоемкость машины в целом.

Снижение вредного влияния износа на работоспособность машины осуществляют за счет обеспечения благоприятных условий трения в узлах машин, повышения качества и упрочнения трущихся поверхностей, а также оптимизации характера внешних воздействий. К ним можно отнести реализацию трения качения вместо трения качения с проскальзыванием или вместо трения скольжения; эффективную защиту от образивного загрязнения зубчатых и червячных передач, подшипников качения и скольжения, шарнирных соединений, опорно–поворотных устройств; замену открытых зубчатых передач закрытыми и др.

К триботехническим материалам узлов трения предъявляются требования повышенной износостойкости и стабильных значений коэффициента трения, что достигается высокими показателями механических характеристик, теплопроводности и теплостойкости, низким коэффициентом теплового расширения и хорошей прирабатываемостью.

На рисунке 5.13 представлены данные по влиянию упрочнения поверхностных слоев стальных деталей на интенсивность изнашивания, которые свидетельствуют о существенном снижении износа с ростом твердости стали во всем диапазоне удельных нагрузок в узле трения.

Важным требованием к выбору материалов в паре трения является исключение возможности схватывания трущихся поверхностей, что обеспечивается применением смазочных материалов и обработкой одной из них (фосфатированием, сульфидированием или сульфоцианированием, т. е. насыщением поверхностных слоев фосфором, серой, азотом и углеродом).

Помимо традиционных материалов (черных и цветных металлов, их сплавов), широкие перспективы имеют полимерные композиционные материалы (композиты) конструкционного и триботехнического назначения. К ним относят материалы, состоящие из двух и более разнородных компонентов с границей раздела между ними. В составе композита обязательно имеются два вида основных компонентов: матрица (связующее), непрерывное по всему объему материала и обеспечивающее его монолитность, и наполнитель, распределенный в матрице.

В полимерных композитах матрицами являются синтетические полимеры, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев одинаковой структуры. Макромолекулы полимеров могут быть линейного, разветвленного и сетчатого строения, что отражается на физико-механических, теплофизических, триботехнических и других свойствах полимеров и композитов на их основе. В макромолекулах атомы связаны между собой прочными химическими связями ковалентного и ионного типов, которые обеспечивают высокий уровень электроизоляционных свойств и химической стойкости, а также низкую плотность полимеров (в 2–8 раз меньше, чем металлов). Наполнители, которые могут быть химически активными или инертными, вводят в полимеры, как правило, для усиления эксплуатационных свойств (прочности, теплостойкости, сопротивления ударным нагрузкам, износостойкости и др.) композитов на основе полимеров. В качестве наполнителей используют материалы различной природы в виде порошка, волокон, нитей, лент, тканей. В машиностроении используют, в основном, порошкообразные и волокнистые наполнители (углеродные, стеклянные, органические и др.), которые позволяют значительно улучшить прочностные и триботехнические свойства.

О возможностях полимерных композитов и изделий из них, о широком диапазоне изменения их свойств свидетельствуют данные таблицы 5.1.

Полимерные композиты и изделия из них получают пропиткой расплавом (или раствором) полимера армирующего наполнителя при изготовлении изделий различными способами (литьем под давлением, экструзией, прессованием и др.). Удельные затраты энергии при производстве полимерных материалов в 15 раз меньше, чем при изготовлении изделий из алюминия. При этом коэффициент использования композитов составляет 0,9–0,95, а металлов и сплавов – всего 0,5–0,6.

Изделия из композитов благодаря многообразию полимеров и наполнителей, способов их совмещения и модифицирования обладают комплексами технологических свойств и эксплуатирующих характеристик, недостижимыми для традиционных материалов. Это делает их незаменимыми во многих областях машиностроения, включая транспортное, в авиационной и космической технике, судостроении. В настоящее время в странах СНГ используют полимерные композиты, которые обладают ограниченными возможностями. Они работоспособны при температурах до 100–140 °С и при постоянных внешних нагрузках до 15–20 МПа, что позволяет их использовать в основном для декоративно-защитной отделки, в малонагруженных узлах трения и для несиловых элементов конструкций машин. Между тем современные полимерные композиты, как видно из таблицы 4.1, обладают значительно более широкими возможностями.

К технологическим методам повышения надежности можно отнести:

1) упрочнение поверхностных слоев деталей механическими, термическими, химико-термическими и другими способами;

2) нанесение упрочняющих, износостойких и коррозионностойких покрытий на детали машин.

Технологические методы позволяют на заключительных стадиях изготовления деталей машин повысить их прочностные характеристики (по показателям статической и усталостной прочности), износостойкость, коррозионную стойкость, жаропрочность и другие свойства. Первичной задачей технологических методов является создание оптимального микрорельефа поверхности детали путем инструментальной механической обработки. Снижение шероховатости поверхности способствует уменьшению коэффициента трения, повышению циклической прочности и коррозионной стойкости.

Следует отметить, что в узлах трения в процессе приработки устанавливается оптимальная топография сопрягаемых поверхностей деталей, которая фактически не зависит от исходного микрорельефа поверхности и обусловлена конструкцией узла и условиями его эксплуатации. Поэтому инструментальную механическую обработку следует проводить так, чтобы она давала топографию поверхности, близкую к оптимальной.

Для повышения усталостной прочности и износостойкости широко используют механические методы обработки поверхности деталей (дробеструйную обработку, обкатывание шариками и роликами, алмазное выглаживание, дорнование и др.). В результате происходит наклеп, т. е. упрочнение поверхностных слоев металла при их пластическом деформировании, которое сопровождается изменением шероховатости поверхности. Толщина упрочненного слоя составляет 0,3–1,5 мм. При этом возрастает твердость на 20–40 % и повышается циклическая долговечность ряда деталей (зубчатых колес, осей, пружин и др.) в 2–10 раз. Установлено, что износостойкость упрочненных слоев металла повышается до тех пор, пока он проявляет способность к пластическому деформированию.

В отличие от механических методов упрочнения поверхностная закалка и химико-термическая обработка деталей обеспечивают упрочнение их поверхностных слоев, в то время как металл в объеме детали остается достаточно пластичным и вязким. В результате существенно повышается несущая способность деталей при ударных нагрузках. Кроме того, в упрочненном поверхностном слое возникают большие остаточные напряжения сжатия, которые ослабляют неравномерность распределения внутренних напряжений от внешней нагрузки и повышают сопротивление усталостному разрушению. При этом размеры обработанных деталей остаются без изменений.

Закалка является основным видом упрочняющей термообработки конструкционных и инструментальных сталей. Поверхностная закалка обеспечивает двукратное повышение износостойкости и стойкости к динамическим нагрузкам. Если деталь испытывает усталостное разрушение, ограничиваются толщиной упрочненного слоя до 3 мм, при высоких контактных нагрузках используют толщины более 3 мм. К самым эффективным видам поверхностной закалки относятся закалка с индукционным нагревом ТВЧ, газопламенная, лазерная и электронно-лучевая закалки. Последние виды не требуют применения закалочных сред, поскольку их роль выполняет сам металл, отводя тепло, что обеспечивает высокую скорость охлаждения.

Химико-термическая обработка является упрочняющей тепловой обработкой стальных изделий в химически активных средах и проводится для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев. Она позволяет повысить твердость и износостойкость, усталостную и контактную выносливость, а также коррозионную стойкость. В этом плане возможности химико-термической обработки выше, чем термообработки, в несколько раз, поскольку она меняет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев в интервале от 0,02 до 3 мм.

Наиболее распространенными методами химико-термической обработки являются цементация (насыщение углеродом), азотирование (насыщение азотом), нитроцементация и цианирование (насыщение углеродом и азотом), алитирование (насыщение алюминием) и хромирование, а также комплексные методы насыщения титаном, ванадием, вольфрамом, цирконием, медью и другими металлами. Каждый из этих методов имеет свои особенности, оптимальную толщину упрочненного слоя и различный уровень усиления эксплуатационных свойств стальных деталей. В зависимости от вида обработки и толщины упрочненного слоя продолжительность химико-термической обработки может достигать 10–12 часов.

Процессы диффузионного насыщения поверхностных слоев стальных изделий упомянутыми химическими элементами можно существенно ускорить с использованием высокоэнергетических методов химического модифицирования. Из них наиболее эффективными являются ионно-диффузионное модифицирование в тлеющем разряде, а также комбинированные методы ионно-плазменной обработки с лазерной или электронно-лучевой обработкой. Ионно-диффузионное модифицирование реализуют в тлеющем разряде постоянного напряжения в среде модифицирующей добавки. Ионы модификатора разгоняются до высоких энергий в электрическом поле и бомбардируют поверхность стальной детали, одновременно очищая ее от окисных пленок и разогревая. Таким методом можно осуществлять ионное азотирование, цементацию, силицирование (насыщение кремнием), борирование и комплексное насыщение поверхностных слоев стальных деталей модифицирующими элементами. Длительность ионного модифицирования по сравнению с традиционными методами химико-термической обработки сокращается в десятки раз, а механические свойства поверхностных слоев значительно (в 1,5–2 раза) повышаются.

Ионное легирование (ионная имплантация) также основано на бомбардировании поверхности детали пучками ионов высоких энергий (10–200 кэВ). С помощью ионной имплантации можно осуществить азотирование, борирование, оксидирование поверхностного слоя детали и его легирование различными металлами. При этом значительно возрастают коррозионная стойкость и износостойкость поверхностных слоев.

Методы лазерного легирования стальных деталей отличаются вводом легирующего элемента на их поверхность. Для этого на обрабатываемую поверхность предварительно наносят тонкое покрытие из модификатора (электролитическим осаждением или плазменным напылением) или осуществляют его имплантацию в поверхностный слой. Последующая лазерная обработка вызывает проплавление поверхностного слоя и смешение легирующего элемента с металлом основы; в результате скоростной кристаллизации возникают такие фазы, которые невозможно получить в равновесном состоянии, например, из-за ограниченной взаимной растворимости компонентов.

В настоящее время высокоэнергетические методы модифицирования используют для обработки ответственных деталей из-за высокой стоимости технологического оборудования. Однако их потенциальные возможности обусловливают более широкое применение в машиностроении.

Эффективным средством расширения функциональных возможностей деталей, узлов и машин является применение покрытий различного назначения: износостойких, коррозионностойких, защитно-декоративных, специальных. Создание покрытий относится к поверхностной обработке деталей путем нанесения на их поверхность слоя (0,05–2 мм) другого материала с требуемыми свойствами. Такая обработка дает возможность получить сочетание свойств, присущих как материалу покрытия, так и материалу основы (детали), а также в широких пределах регулировать эксплуатационные характеристики поверхности.

Долговечность детали с покрытием, как правило, определяется долговечностью самого покрытия, которое, в свою очередь, зависит от прочности сцепления покрытия с основой. Это накладывает ограничения на область применения покрытий, исключая их использование в случаях эксплуатации деталей при ударных нагрузках и высоких контактных напряжениях. С помощью покрытий успешно решаются задачи, направленные на обеспечение комплекса эксплуатационных характеристик деталей в сопряжениях, включающего низкий коэффициент трения, хорошую приработку и исключение схватывания сопряженных поверхностей, высокую износостойкость в условиях повышенных температур и агрессивных сред.

Покрытия разделяют на металлические, неметаллические и полимерные. Наибольшее распространение получили покрытия из металлов (алюминия, цинка, меди, хрома, никеля, олова, молибдена, железа, вольфрама и др.) и их сплавов. Они позволяют в несколько раз повысить долговечность и эксплуатационные свойства деталей и узлов машин, эксплуатирующихся в экстремальных условиях, при воздействии высоких температур и радиации, в абразивно-агрессивных средах. Нанесение металлических покрытий (металлизацию) осуществляют газотермическим (газопламенным) и электротермическим напылением. Предпочтение отдают электротермическим методам, из которых наиболее эффективными и универсальными являются дуговой и плазменный методы. Для нанесения покрытий этими методами применяют электрический дуговой разряд двух видов, различающихся межэлектродным расстоянием. В зоне дуги материал покрытия (в исходном состоянии – порошок, проволока или пруток) расплавляют и осаждают на обрабатываемую поверхность. Капли расплава покрываемого металла растекаются по поверхности и при охлаждении образуют сплошную пленку покрытия.

Длительность процесса нанесения зависит от размеров детали и составляет обычно несколько минут, что выгодно отличает эти методы от способов химико-термической и другой обработки. Минимальная толщина покрытия должна включать припуск на обработку после нанесения и допуск на предполагаемый износ. Например, при нанесении покрытий на вал диаметром 60–100 мм, участки которого будут изнашиваться в контакте с сопрягаемыми деталями, толщина покрытий должна быть не менее 0,6 мм. На участках, где необходима запрессовка, толщина покрытия, как правило, не превышает 0,15 мм, независимо от диаметра вала.

Плазменное напыление обеспечивает покрытиям малую пористость и высокую прочность сцепления с основой. Оно позволяет наносить высококачественные покрытия из тугоплавких металлов, керамики и органических материалов, включая композиционные, что существенно расширяет диапазон эксплуатационных свойств поверхностных слоев детали.

Наиболее эффективно используют плазменные покрытия для повышения долговечности деталей и узлов привода машин, включая детали двигателей внутреннего сгорания (поршни, кольца, гильзы цилиндров и др.), элементы передач (коленчатые валы и др.), а также детали систем управления.

Все более широкое применение находят покрытия из неорганических материалов, включая карбиды, оксиды, нитриды и фосфаты металлов. Их формируют на поверхности стальных изделий, как правило, для защиты от коррозии, снижения коэффициента трения, повышения жаро- и износостойкости. Толщина наносимого слоя зависит от назначения покрытий. Покрытия малой толщины (2–5 мкм) используют для защиты деталей от атмосферной коррозии; покрытия большой толщины (до 1–2 мм) – для повышения стойкости к жидким агрессивным средам.

Карбидные, нитридные и карбидонитридные покрытия наносят на стальные детали в основном ионно-плазменными методами. Высокую прочность и износостойкость имеют покрытия из оксида алюминия, сформированные на стальных деталях плазменными методами. При толщине 4–10 мкм, износостойкость покрытий из нитрида титана (на поверхности стали) в 2–5 раз превосходит аналогичную характеристику высоколегированных сталей. Для ответственных изделий нередко используют композиционные и многослойные покрытия из карбида, нитрида и карбонитрида титана, а также карбидов хрома и молибдена.

Кроме того, неорганические покрытия используют в виде твердых смазок для снижения коэффициента трения в узлах машин, где невозможно применить жидкие смазочные материалы (при повышенных температурах, высоких скоростях и т. д.) Материалами для твердосмазочных покрытий являются графит, дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама, а также галогенные соединения металлов. Рабочие температуры твердосмазочных покрытий на воздухе достигают 400–500 °С при низком (около 0,1) и стабильном коэффициенте трения.

Важным фактором повышения долговечности корпусных деталей, металлоконструкций и элементов узлов машин в условиях атмосферного воздействия является применение полимерных покрытий. Как правило, для защитно-декоративной отделки и противокоррозионной защиты используют лакокрасочные материалы холодного отверждения, не требующие нагрева обрабатываемых поверхностей деталей машин и обеспечивающие их атмосферостойкость.

При эксплуатации машин для реализации высоких показателей надежности необходим системный подход к профилактическим и ремонтным работам, который базируется на научно обоснованных методах эксплуатации. Об их значимости свидетельствует то, что затраты на техническое обслуживание и ремонт превышают в 5–8 раз первоначальную стоимость машины.

К числу основных мероприятий, обеспечивающих поддержание высокого уровня надежности машин, относятся:

1) контроль соответствия технических характеристик машин режимам их эксплуатации;

2) совершенствование системы технического обслуживания, включая применение современных методов и средств технического диагностирования;

3) оптимизация организации всех видов ремонта с использованием современных ресурсосберегающих технологий восстановления деталей, узлов и агрегатов машин;

4) повышение квалификации и специальное обучение обслуживающего персонала.

Основой обеспечения надежности является эксплуатация машины в соответствии с нормативно-технической документацией, в частности, точное соблюдение требований и рекомендаций, изложенных в руководствах и инструкциях по эксплуатации, подготовленных разработчиками и базирующихся на статистических исследованиях накопленного опыта эксплуатации машин соответствующего назначения. Соблюдение требований эксплуатационной документации во многом зависит от подготовки и квалификации обслуживающего персонала.

Научно обоснованная организация системы технического обслуживания и ремонта ставит конечной целью обеспечение запланированных на этапе проектирования показателей надежности путем проведения комплекса организационно-технических мероприятий при минимальных затратах энерго-, трудо- и материальных ресурсов.

При рассмотрении вопросов, связанных с совершенствованием технического обслуживания, следует выявить оптимальное сочетание таких ее характеристик как периодичность и объем профилактических работ, число специалистов и время проведения профилактики с учетом стоимости технического обслуживания, появления и числа отказов после проведения этих работ.

Организация работ по поддержанию работоспособности машин базируется на планово-предупредительной системе, связанной с научно обоснованным прогнозированием потребности в профилактических мероприятиях. Их долгосрочное планирование (на год, сезон, квартал) необходимо осуществлять на основе методов теории надежности, а краткосрочное прогнозирование – на основе методов и средств технической диагностики.

Профилактические работы включают такие мероприятия, как ежесменное, периодическое и сезонное техническое обслуживание. Наиболее ответственным видом профилактики является периодическое (или плановое) техническое обслуживание (ТО), которое предотвращает рост интенсивности потока отказов и различается объемом, составом и трудоемкостью работ.

Следует отметить значимость уровня организационных мероприятий и технической оснащенности работ по содержанию машин. Как правило, материальные потери вследствие низкого уровня организации таких работ при эксплуатации транспортных средств в два раза превышают затраты, связанные непосредственно с надежностью.

Эффективность этих работ существенно возрастает, если техническое обслуживание проводят по результатам оценки технического состояния машины с использованием современных методов технического диагностирования. Диагностика, не оказывая влияния на техническое состояние машины и ее основных агрегатов, позволяет существенно снизить затраты на поддержание заданных показателей надежности и обеспечить более высокое качество технического обслуживания и ремонта. Использование современных диагностических средств (акустических, виброметрических и др.) снижает стоимость проверки основных агрегатов машин на 70–75 % по сравнению с их проверкой традиционными способами с частичной разборкой агрегатов. Кроме того, техническая диагностика способствует снижению аварийности машин, сокращению расхода горюче–смазочных материалов и рабочих жидкостей, повышению эффективности использования машин за счет уменьшения времени простоев при техническом обслуживании и ремонте.

Работы по восстановлению работоспособности машин, включающие текущий и капитальный ремонты, также сопровождаются значительными энерго-, трудо- и материальными затратами. Поэтому повышение их эффективности должно базироваться на экономически обоснованном подходе к подготовительным работам, техническому диагностированию, выбору технологий восстановления деталей и узлов, обеспечению запасными частями.

Важным направлением снижения себестоимости ремонта машин и повышения рентабельности ремонтного производства в целом является восстановление деталей, поврежденных и изношенных в процессе эксплуатации. Как правило, ремонт и восстановление деталей, утративших работоспособность, обходится ремонтным службам значительно дешевле, чем изготовление новых деталей.

В настоящее время в ремонтном производстве используют более 50 различных методов восстановления деталей. Представление о технологических возможностях различных процессов упрочнения деталей машин дает таблица 5.2. Эффективность их применения, а также выбор наиболее рационального технологического процесса восстановления зависят от многих факторов, в том числе от материалов, из которых изготовлены детали (стали, чугуны, цветные металлы и сплавы, полимерные и композиционные материалы), их конструктивно-технологических особенностей, а также от условий эксплуатации деталей и узлов машин.

Представляют интерес данные таблицы 5.3, в которой приведены показатели относительной долговечности восстановленных деталей, а также трудо-, энерго- и материальные затраты для различных способов восстановления, реализованных в сопоставимых условиях.