Состояния и работоспособность машин

ГЛАВА 4 МАШИНА КАК ОБЪЕКТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Влияние условий эксплуатации на изменение технического

состояния и работоспособность машин

Использование машин по времени определяется рядом технологических и организационных факторов, а по интенсивности — режимом работы. При оптимальном режиме работы стремятся обеспечить использование машины без перегрузок силовых установок, рабочих органов, элементов трансмиссии, оптимальную производительность и высокие экономические показатели, нормальные усилия и скорости в деталях и узлах, обеспечивающие их ритмичную работу и естественное изнашивание.

В процессе эксплуатации машины находятся под воздействием множества внешних нагрузок — от собственного веса, преодоления сопротивлений на рабочем органе, сил инерции, ветровых нагрузок и т. п. Наибольшее влияние нагрузок от собственного веса испытывают узлы ходовой части. Вес эксцентрично расположенных частей машин может вызвать дополнительный изгибающий момент и способствовать снижению запаса устойчивости. Полезные нагрузки от преодоления сопротивлений на рабочем органе зависят от вида выполняемой машиной работы: преодоление сопротивления резанию грунта и перемещению призмы волочения отвалом бульдозера, вес поднимаемого груза грузоподъемными машинами, сопротивление фунта копанию ковшами экскаваторов и т.п. Значительную часть времени машины работают в неустановившихся режимах, что также увеличивает нагрузки на элементы их конструкции и снижает ресурс. На большинстве машин в качестве силовых установок используются дизели. Из-за резких колебаний нагрузки на рабочих органах дизели машин большую часть времени работают на регуляторной ветви внешней скоростной характеристики. Этим обеспечивается защита силовой установки от отказов.

Режим работы определяется внешними условиями — грунтовыми, климатическими и другими природными условиями, в которых работают машины и которые учитывают, выбирая режим.

В зависимости от сложности разработки грунтов их, согласно Единым нормам и расценкам (ЕНиР), условно разделяют на группы. Критерием отнесения грунтов к определенной группе является средняя плотность. В зависимости от типа машины, которой разрабатывается грунт, он может быть отнесен к разным группам. Грунты, не находящиеся во время разработки под действием грунтовых, проточных или дождевых вод, в соответствии с нормами относят к грунтам природной влажности.

Условия работы машин отличаются повышенным содержанием абразивных частиц и запыленностью воздуха, резкими изменениями динамических и тепловых нагрузок на элементы машин, что вызывает интенсивное изнашивание силовых установок, рабочих органов, элементов трансмиссий и ходового оборудования. В результате изнашивания деталей изменяются их геометрические параметры, форма и масса, а также свойства материалов. Узлы и агрегаты машин подвержены различным видам изнашивания — механическому, коррозионно-механическому, при действии электрического тока. Все это приводит к снижению надежности машин в целом.

На изменение параметров технического состояния и, следовательно, работоспособность машин существенное влияние оказывают низкие и высокие температуры воздуха и его влажность, скорость ветра, туманы, солнечная радиация и т. п. Воздействие этих факторов вызывает определенные виды отказов машин вследствие случайных перегрузок, усталостных явлений в материалах, действия сил трения и т.п. Кроме того, климатические факторы и атмосферные явления ухудшают условия работы сопряженных элементов конструкций машин из-за попадания в них абразивных частиц и влаги.

Классификация влияния климатических факторов и атмосферных явлений на свойства материалов и надежность машин по П.И. Коху приведена на рис. 4.1.

Низкие температуры воздуха оказывают наиболее сильное влияние на всю систему человек — машина — рабочая среда. В результате этого влияния производительность многих типов машин в осенне-зимний период значительно снижается, а затраты на содержание машин за счет увеличения доли неплановых ремонтов становятся в несколько раз больше, чем в условиях умеренного климата.

Наиболее характерными при низких температурах являются отказы стрел, ковшей экскаваторов, отвалов бульдозеров, звеньев гусениц, валов, осей и полуосей, зубчатых колес машин. Основной причиной увеличения отказов машин при низких температурах является хрупкое разрушение металлических деталей при переходе металла из вязкого в хрупкое состояние и, как следствие, начало образования трещин.

Низкие температуры переохлаждают двигатели машин, снижают их мощность и увеличивают расход топлива. С понижением температуры затрудняется пуск двигателей, особенно дизелей, так как они имеют большую, чем бензиновые двигатели, степень сжатия.

Пуск при низких температурах наиболее затруднен для дизелей с так называемым пленочным смесеобразованием, при котором основная масса распыляемого топлива попадает на стенки камеры сгорания и его испарение затруднено. Двигатели с таким способом смесеобразования широко применяются на транспортных машинах фирмы MAN.

Понижение температуры стенок цилиндров ниже 80 °С резко увеличивает интенсивность их изнашивания из-за изменения условий трения на поверхности цилиндров и развития сложных физико-химических процессов — конденсации паров воды и продуктов неполного сгорания, смывания смазки со стенок цилиндров неиспарившимся жидким топливом и значительного увеличения работы трения поршней и поршневых колец о стенки цилиндров.

Эксплуатационные материалы машин, такие как масла, охлаждающие жидкости, рабочие жидкости гидросистем, гидроподъемников, гидромеханических передач, а также топлива при низких температурах меняют свои свойства. Загустение смазочных материалов приводит к снижению их прокачиваемости через каналы смазочной системы, из-за чего ухудшается смазка трущихся поверхностей деталей, и они работают в условиях граничного или даже сухого трения. Вследствие загустения смазочных материалов значительно увеличивается момент сопротивления прокручиванию коленчатого вала двигателя и валов трансмиссии.

В дизельном топливе с понижением температуры происходит выпадение парафинов и их агломерация. В этом случае трубопроводы и фильтры очистки топлива забиваются, и топливо не поступает к топливному насосу высокого давления, двигатель не заводится.

При низкой температуре воздуха вязкость бензина также увеличивается, а пропускная способность жиклеров уменьшается.

Электрическая емкость аккумуляторных батарей при низких температурах снижается вследствие повышения вязкости и увеличения внутреннего сопротивления электролита. Снижение электроемкости батарей уменьшает их работоспособность и затрудняет запуск двигателя. Глубокий разряд батареи может привести к полной потере работоспособности.

На работоспособность машин неблагоприятно влияет и высокая температура. Наиболее активно на нее реагируют двигатели внутреннего сгорания экскаваторов, бульдозеров, транспортных и других машин. При высоких температурах воздуха и неисправностях системы охлаждения, вследствие уменьшения отвода теплоты от деталей двигателя в охлаждающую жидкость, происходит увеличение их температуры и уменьшение зазоров в сопряжениях. В некоторых парах трения, например поршень—гильза цилиндра, зазор может уменьшиться до нуля, из-за чего появляется давление юбки поршня на стенки гильзы, вызывающее возникновение дополнительной силы трения и разогрев юбки. Перегретое масло на стенках гильзы теряет смазочные свойства, это приводит к режиму полусухого трения. Происходит местное подплавление материала поршня и образование глубоких задиров на поршне и стенках гильзы. Этот процесс носит лавинообразный характер и в итоге приводит к заклиниванию двигателя. Перегрев ведет также к обгоранию кромок выпускных клапанов, прогоранию днища поршня, образованию трещин в головках блока цилиндров и перемычках между цилиндрами, прогоранию прокладок головок блока цилиндров и выпускных коллекторов и т. п.

Высокая температура воздуха вызывает перегрев электрооборудования, гидравлических и тормозных систем, нарушает работу системы питания двигателя. В топливных системах, особенно бензиновых двигателей, образуются паровоздушные пробки, из-за чего двигатель начинает работать с перебоями.

Под воздействием высоких температур и солнечной радиации происходит старение резинотехнических изделий машин — уплотнителей стекол, покрышек пневмоколесной техники, манжет гидроцилиндров и т. п.

Действие факторов высоких температур значительно снижает сроки службы узлов и агрегатов техники. Так, по данным Г.М. Казанцева, срок службы двигателей в условиях высоких температур по сравнению с умеренными снижается в 2 раза, муфт сцепления— в 3 — 3,5 раза, коробок передач — в 3 — 4 раза, опорных катков — в 1,5 — 2 раза, гусениц в сборе — в 2 — 3 раза.

Высокие температуры перегревают рабочие жидкости, снижая их вязкость, вызывают старение уплотнений, сальников и манжет и создают благоприятные условия для появления утечек жидкостей. В качестве характерного примера по данным А.П. Лазариди приведено изменение утечек рабочей жидкости Q и снижение давления р в гидросистемах экскаваторов в зимний и летний периоды года (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Изменение утечек рабочей жидкости (а) и давления в гидросистемах