Машина во взаимодействии с окружающей средой

Показатели надежности зависят от тех условий, в которых эксплуатируется машина, и от режимов ее работы.

Любая машина, выполняя возложенные на нее функции, воспринимает различные воздействия от окружающей среды и от осуществляемых ею рабочих процессов, связанных с назначением машины.

Окружающая среда оказывает существенное влияние на работу тех машин, которые функционируют вне заводских помещений и имеют непосредственный контакт с атмосферой или иной средой. Особенно широк диапазон внешних условий для транспортных машин, функционирующих в различных климатических зонах.

Машины, эксплуатация которых происходит в стационарных условиях, также воспринимают разнообразные нагрузки, имеют непостоянные циклы работы, испытывают воздействие от соседних машин и агрегатов.

При решении разнообразных задач надежности необходимо, в первую очередь, установить, как будет вести себя машина при выполнении своих функций и во взаимодействии с окружающей средой, в результате каких причин будут постепенно изменяться ее технические характеристики.

Деградация состояния машины происходит потому, что при эксплуатации все виды энергии – механическая, тепловая, химическая, электромагнитная – воздействуют на машину и вызывают в ней обратимые и необратимые процессы, изменяющие ее начальные характеристики.

Можно указать следующие основные источники энергетических воздействий на машину:

- действие энергии окружающей среды, в которой находится машина в процессе эксплуатации, включая человека, исполняющего функции оператора;

- внутренние источники энергии, связанные как с рабочими процессами, протекающими в машине, так и с работой отдельных механизмов машины;

- потенциальная энергия, которая накоплена в материалах и деталях машины в процессе их изготовления (внутренние напряжения в отливке, монтажные напряжения);

- воздействия на машину при производстве ремонтных работ и при техническом обслуживании.

При работе машины можно наблюдать различные виды энергии, влияющие на ее работоспособность.

Механическая энергия, которая не только передается по всем звеньям механизмов машин в процессе работы, но и воздействует на машину в виде статических и динамических нагрузок от взаимодействия с внешней средой.

Тепловая энергия действует на машину и на ее части при колебаниях температуры окружающей среды, при осуществлении рабочего процесса, при работе приводных механизмов, электротехнических и гидравлических устройств.

Химическая энергия также оказывает влияние на работу машины. Например, коррозия отдельных узлов машины может происходить и на воздухе, который содержит влагу и агрессивные составляющие.

Если же машина работает в условиях агрессивных сред, то химические воздействия вызывают процессы, приводящие к разрушению отдельных элементов и узлов машины.

Ядерная (атомная) энергия, образующаяся в процессе ядерных реакций, может воздействовать на материалы (особенно в космосе), изменяя их свойства.

Электромагнитная энергия в виде радиоволн пронизывает все пространство вокруг машины и может оказывать влияние на работу электронной аппаратуры, которая все в большем объеме применяется в современных машинах.

Биологические факторы также могут влиять на работоспособность машины и вызывать биоповреждения, например, в виде биокоррозии металла.

Все виды энергии, действующие на машину и ее механизмы, вызывают в ней целый ряд нежелательных процессов, создают условия для ухудшения ее технических характеристик.

Часть процессов, происходящих в машине, являются обратимыми. Обратимые процессы временно изменяют параметры деталей, узлов и всей системы в некоторых пределах, без тенденции прогрессивного ухудшения. Наиболее характерные примеры таких процессов – упругая деформация узлов и деталей машин, происходящая под действием внешних и внутренних сил, и тепловые деформации конструкций.

Необратимые процессы приводят к прогрессивному ухудшению технических характеристик машины с течением времени и поэтому их называют процессами старения.

Наиболее характерными необратимыми процессами в машинах являются изнашивание, коррозия, усталость, перераспределение внутренних напряжений и коробление деталей с течением времени.

Процессы, изменяющие начальные характеристики машины, протекают с различной скоростью и могут быть разделены на три основные категории.

Быстро протекающие процессы возникают сразу же, как только машина начинает функционировать. Эти процессы имеют периодичность изменения, измеряемую обычно долями секунды. Они заканчиваются в пределах цикла работы машины и вновь возникают при следующем цикле.

Сюда относятся вибрации узлов, изменения сил трения в подвижных соединениях, колебания рабочих нагрузок и другие процессы, влияющие на взаимное положение узлов машины в каждый момент времени и искажающие цикл ее работы.

Процессы средней скорости связаны с периодом непрерывной работы машины, их длительность измеряется обычно в минутах или часах. Они приводят к монотонному изменению начальных параметров машины. К этой категории относятся как обратимые процессы (например, изменение температуры самой машины и окружающей среды), так и необратимые (например, процесс изнашивания режущего инструмента, который протекает во много раз интенсивнее, чем изнашиваются детали и узлы металлорежущего станка).

Медленно протекающие процессы проявляются в течение всего периода эксплуатации машины. Они длятся дни и месяцы. К таким процессам относятся изнашивание основных механизмов машины, ползучесть металлов, загрязнение поверхностей трения, коррозия, сезонные изменения температуры.

Эти процессы также влияют на точность, мощность, коэффициент полезного действия и другие параметры машин, но изменения их происходят очень медленно. Обычные методы борьбы с этими процессами – ремонт и профилактические мероприятия, которые проводятся через определенные промежутки времени.

Следует подчеркнуть, что все процессы являются случайными функциями, для которых характерно рассеивание значений. Для многих машин наибольшую роль играет процесс изнашивания.

При рассмотрении влияния различных процессов на выходные параметры машины следует учитывать и обратную связь, которая существует между ними и состоянием машины. Например, износ отдельных механизмов машины может не только снизить точность ее функционирования, но и привести к возрастанию динамических нагрузок, которые, в свою очередь, интенсифицируют процесс изнашивания.

Поэтому взаимодействие машины с протекающими в ней процессами можно представить в виде замкнутой системы автоматического регулирования (см. рис. 1.4.).

Общая схема физико-вероятностной модели надежности показывает, что основной причиной необратимого изменения состояния машины является протекание различных процессов старения в материалах, из которых она выполнена. Это сказывается на состоянии машины, в результате чего изменяются во времени ее выходные параметры и возрастает опасность их выхода за установленные пределы . Оценка вероятности этого события и является по существу оценкой уровня параметрической надежности машины. Закон распределения , описывающий в дифференциальной или интегральной форме этот вероятностный процесс, называют законом надежности.