Надежность механических систем

Москва
ИНФРА-М
2020

НАДЕЖНОСТЬ 
МЕХАНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ

В.А. ЗОРИН

УЧЕБНИК

Рекомендуется УМО вузов России по образованию 
в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов 
для студентов, обучающихся по специальностям 
«Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», 
«Средства аэродромно-технического обеспечения полетов авиации», 
«Автомобили и автомобильное хозяйство», 
«Сервис и техническая эксплуатация транспортных 
и технологических машин и оборудования»

Зорин В.А. 
Надежность механических систем : учебник / В.А. Зорин. — 
Москва : ИНФРА-М, 2020. — 380 с. — (Высшее образование). — DOI 10.12737/7596.

ISBN 978-5-16-010252-8 (print)
ISBN 978-5-16-102158-3 (online)

В учебнике рассмотрены основные процессы, вызывающие снижение 
надежности механических систем: трение, изнашивание, пластическое 
деформирование, усталостное и коррозионное разрушение деталей машин. 
Большое внимание уделено основам триботехники – научной дисциплины, имеющей междисциплинарный характер и базирующейся на применении системного подхода, дающего возможность более полного учета 
всех факторов, от кото рых зависит надежность элементов механических 
систем. В учебнике приведены основные направления и методы обеспечения надежности машин. Описаны методы оценки надежности деталей 
машин и механических систем в целом. Особое внимание уделено вопросам оценки безопасности и обеспечения качества при проектировании 
и производстве механических систем.
Учебник соответствует образовательному стандарту подготовки инженеров по направлению «Наземные транспортно-технологические средства», профиль «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные средства и оборудование», предназначен для студентов старших курсов высших 
учебных заведений и может быть использован при подготовке студентов, 
магистрантов и аспирантов, а также полезен специалистам, работающим 
в области производства, ремонта и эксплуатации транспортно-технологических машин.
УДК 624.04(075.8)
ББК 32.965.2я73

УДК  624.04(075.8)
ББК  32.965.2я73
 
З86

З86

ISBN 978-5-16-010252-8 (print)
ISBN 978-5-16-102158-3 (online)
©   Зорин В.А., 2015

Р е ц е н з е н т:
Ю.И. Густов, д-р техн. наук, проф., Московский государственный строительный университет

ВВЕДЕНИЕ

При создании новых и модернизации выпускаемых изделий ма
шиностроения первоочередной задачей является оценка их технического уровня, которая производится на основе сопоставления совокупности значений показателей технического совершенства проектируемой продукции с нормативными значениями. Современный 
этап развития машиностроения характеризуется ужесточением требований к надежности и безопасности механических систем. Из всего многообразия показателей, характеризующих технический уровень механических систем, показатели надежности в наибольшей 
мере поддаются управлению в сфере проектирования, производства 
и эксплуатации. Настоящий учебник призван ознакомить студентов 
с общей системой управления качеством и надежностью механических систем на стадиях разработки, производства, ремонта изделий 
и при их эксплуатации.

Надежность механических систем не только определяет качество 

и безопасность использования машин, но также характеризует уровень 
механизации и автоматизации производственных процессов, уменьшения убытков от простоев машин, снижения затрат на ремонт, 
обеспечения эффективности использования техники. Снижение 
надежности механических систем вызывает уменьшение производительности машин из-за простоев в ремонте, сказывается на величинах материальных и трудовых затрат на содержание техники, на 
росте капитальных вложений в производственные фонды ремонтного производства и промышленность, занятую выпуском запасных 
частей.

Для управления надежностью механических систем требуется 

знание большого круга вопросов по основам теории вероятностей 
и математической статистики, вероятностным характеристикам отказов и их последствий, особенностям проектирования, производства 
и эксплуатации машин, триботехники, материаловедения и др. Перечисленные вопросы рассматриваются в данном учебнике, причем основное внимание уделяется вопросам обеспечения планируемого 
уровня качества и надежности механических систем при проектировании, производстве и эксплуатации.

Изучение научных основ обеспечения надежности механических 

систем составляет фундамент инженерного образования и является 
неотъемлемой частью учебного процесса технических университетов.

Глава 1. 
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

1.1. 
ОсНОВНыЕ тЕрмИНы И ОпрЕДЕлЕНИя

В соответствии с ГОСТ 27.002–89 надежность — это свойство 

объекта выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки. Термин «объект» является 
наиболее общим наименованием механической системы.

В процессе эксплуатации объект может находиться в одном из 

следующих состояний: исправном, работоспособном, неисправном.

Исправное состояние (исправность) — состояние объекта, при 

котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией.

Работоспособное состояние (работоспособность) — состояние 

объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, 
сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных 
нормативно-технической документацией. Параметры, характеризующие выполнение функций, обусловливают эксплуатационные показатели изделия: производительность, мощность, тягово-скоростные характеристики, параметры рабочего процесса и пр.

Неисправное состояние (неисправность) — состояние объекта, при 

котором он не соответствует хотя бы одному из требований, установленных нормативно-технической документацией. Различают неисправности, не приводящие к отказам (нарушение лакокрасочного 
покрытия, износ режущей кромки рабочего органа), и неисправности, 
ведущие к возникновению отказа (трещина металлоконструкции 
рамы, изгиб лопасти вентилятора системы охлаждения двигателя).

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособ
ности объекта. Для каждого объекта признаки (критерии) отказов 
установлены нормативно-технической документацией. В зависимости от причин возникновения отказа различают: конструкционные 
отказы, возникшие в результате нарушения установленных правил 
конструирования; производственные отказы, причиной возникновения которых является нарушение установленного процесса изготовления или ремонта изделия; эксплуатационные отказы, причиной 
возникновения которых является нарушение установленных правил 
или условий эксплуатации машины.

По характеру возникновения различают отказы внезапные, по
степенные и перемежающиеся.

Внезапный отказ характеризуется резким изменением одного или 

нескольких заданных параметров объекта. Примером внезапного 

отказа является нарушение работоспособности щековой камнедробилки, вызванное срезом болтов распорной плиты в результате попадания металлического предмета между дробящими плитами.

Постепенный отказ характеризуется постепенным изменением 

одного или нескольких заданных параметров объекта. Характерным 
примером постепенного отказа является нарушение работоспособности тормозов в результате износа фрикционных элементов.

Перемежающийся отказ — многократно возникающий сбой од
ного и того же характера. Примером перемежающегося отказа может 
служить ухудшение мощностных и топливно-экономических показателей двигателя из-за появления нагара в головке цилиндров. Этот 
отказ часто самоустраняется при длительной работе машины в тяжелом нагрузочном режиме. Другим характерным примером перемежающегося отказа является нарушение работоспособности бульдозера в результате налипания грунта на поверхность отвала.

В зависимости от способа устранения отказа все объекты разде
ляют на ремонтируемые (восстанавливаемые) и неремонтируемые 
(невосстанавливаемые). К ремонтируемым относят объекты, которые 
при возникновении отказа ремонтируют и после восстановления 
работоспособности снова вводят в эксплуатацию. Машины и оборудование, а также большинство их элементов являются ремонтируемыми объектами.

Неремонтируемые объекты после возникновения отказа заменя
ют. К числу неремонтируемых элементов машин относят подшипники качения, тросы, оси, пальцы, крепежные детали и т.д. Восстановление этих элементов экономически нецелесообразно, так как 
затраты на ремонт достаточно велики, а обеспечиваемая при этом 
долговечность значительно ниже, чем у новых деталей. Надежность 
объекта характеризуется безотказностью его работы, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

Безотказность — свойство объекта сохранять работоспособность 

в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов. Под 
наработкой подразумевают продолжительность или объем работы 
объекта, измеряемые в часах, километрах, кубических метрах или 
других единицах. Это свойство особенно важно для элементов системы управления, тормозных устройств и других механизмов, отказ 
которых может привести к аварии или длительному простою дорогостоящего оборудования.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность 

до наступления предельного состояния с необходимыми перерывами 
для технического обслуживания и текущих ремонтов.

Предельное состояние объекта — состояние, при котором даль
нейшая его эксплуатация должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности (в том числе экологической), или неустранимого ухода заданных параметров за установлен

ные пределы, или неустранимого снижения эффективности 
эксплуатации ниже допустимой. Объект, достигший своего предельного состояния, направляют в капитальный ремонт или списывают.

Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в его 

приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и устранению их последствий 
путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Под устранением отказа подразумевают восстановление работоспособности 
объекта путем ремонта (для ремонтируемых элементов) или замены 
(для неремонтируемых элементов) отказавшего элемента. Долговечность и ремонтопригодность являются основными свойствами, определяющими уровень надежности машин и оборудования.

Сохраняемость — свойство объекта непрерывно сохранять ис
правное и работоспособное состояние в течение и после хранения 
и (или) транспортирования. Это свойство особенно важно для машин сезонного использования, сменного рабочего оборудования, 
комплектующих и запасных частей (особенно из неметаллических 
материалов), а также для эксплуатационных материалов.

Совокупность перечисленных свойств определяет способность 

объекта выполнять заданные функции, сохраняя значения эксплуатационных показателей в заданных пределах в течение установленного срока, т.е. надежность изделия в эксплуатации.

1.2. 
Отказы мЕхаНИчЕскИх сИстЕм

Одним из основных понятий теории надежности механических 

систем является понятие отказа. 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, техническими условиями и др.). Время, необходимое 
на восстановление работоспособности объекта в условиях эксплуатации в пределах смены, принято считать простоем.

Все виды отказов можно разделить на две группы: из-за разруше
ния элементов и вследствие нарушения качеств функционирования. 
К первой группе относятся поломки, недопустимые деформации 
и износ элементов, обрыв и короткое замыкание, расплавление 
и сгорание элементов схем и т.п. Ко второй группе относятся нарушение регулировок, залипание и забивание рабочих органов обрабатываемой средой, засорение гидравлической системы, течь в местах соединения шлангов, загрязнение или ослабление контактов 
электропроводки, ослабление креплений под действием вибрации, 
встречи с непреодолимым препятствием рабочего органа и пр. Для 
подавляющего большинства строительных машин и оборудования 
особого внимания заслуживают отказы первой группы из-за их мас

совости, а также значительной трудоемкости и стоимости устранения. Поэтому им уделяется основное внимание. Однако для ряда 
машин в определенное время года при использовании в характерных 
районах существенное влияние на эффективность работы могут оказывать отказы второй группы (например, для землеройных машин 
весной и осенью при работе на глинистых грунтах значительная 
часть простоев вызвана залипанием рабочих органов грунтом и т.п.).

От понятия отказа следует отличать понятие повреждения, кото
рое означает событие, заключающееся в нарушении исправности 
объекта или его составных частей. Повреждение может быть незначительным или значительным. Первое означает нарушение исправности при сохранении работоспособности, второе — отказ объекта. 
Некоторые незначительные повреждения могут переходить в категорию значительных и тем самым приводить к отказу объектов. Наиболее общей причиной повреждений первого типа является изменение параметров и характеристик элементов во времени, обусловленное происходящими в них физико-химическими процессами.

Возникновение отказа обычно обусловливается структурой 

и свойствами материала, напряжениями, вызванными нагрузкой, 
и часто также температурой. Процессы, приводящие к отказам, классифицируются по ряду признаков. По месту протекания различают 
процессы, происходящие: в объеме материала элементов; на поверхности элемента; в сочленениях деталей (неподвижных и подвижных); в электрических цепях, связанных с взаимным влиянием элементов.

Во многих случаях решающее влияние на возникновение отказов 

оказывают изменения на поверхности детали, которая подвергается 
непосредственному воздействию окружающей или рабочей агрессивной среды, влаги, загрязнений. Процессы в объеме твердого тела 
и на его поверхности, способствующие появлению отказов, обычно 
возникают и развиваются как локальные. К процессам, предшествующим появлению отказов, протекающим в местах подвижных и неподвижных соединений деталей механических систем, относятся 
различные виды изнашивания, усталости, 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 явления, 
связанные с возникновением отказов, являются термически активируемыми, т.е. могут протекать только при определенном уровне тепловой энергии, причем их интенсивность увеличивается при нагревании тела. Тепловые процессы играют значительную, порой решающую, роль в изменении свойств и характеристик элементов, 
интенсивности их разрушения и старения.

Воздействующие при эксплуатации механических систем факторы 

влияют на возникновение отказов двояко: во-первых, они вызывают 

постепенное изменение характеристик и параметров элементов; вовторых, 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.

По виду изменений, вызываемых в материале воздействующими 

факторами, различают необратимые изменения (например, коррозия) и обратимые (например, деформация в пределах упругости материалов деталей). По характеру изменений во времени различают 
воздействия постоянные, закономерно изменяющиеся во времени, 
и воздействия, являющиеся случайными функциями времени.

Воздействие эксплуатационных факторов связано с режимом хра
нения или активной эксплуатации. В устройствах, подвергающихся 
длительному хранению перед активной эксплуатацией, постепенное 
изменение свойств и характеристик элементов при хранении может 
иметь решающее значение. Влияние факторов, действующих при 
активной эксплуатации механических систем, зависит от режима 
эксплуатации — является ли он непрерывным, циклическим, случайным, повторно-прерывистым или одноразовым, установившимся или переходным.

В качестве наиболее общих физико-химических процессов в мате
риалах, которые могут быть связаны в той или иной степени с возникновением отказов механических систем, необходимо указать 
следующие:

• 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;

• электролитические процессы;
• действие поверхностно-активных веществ;
• структурные превращения в сплавах металлов и др.
Закономерности, характеризующие эти явления, представляют 

собой основу для построения некоторых общих физических моделей 
отказов механических систем и процессов их возникновения. К ним 
относятся: деформации и механическое разрушение различных материалов; тепловое разрушение элементов; сцепление (схватывание) 
поверхностей соприкасающихся деталей и др.

Физическая сущность явлений, приведших к отказу объекта, от
ражается в характере отказов. Типовой перечень повреждений, вызывающих отказы механических систем, приведен в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Виды повреждений деталей механических систем

Характер повреждения
Примеры элементов, выходящих из строя

Износ (механический,  
молекулярно-механический, 
коррозионно-механический)

Поверхности сопряжений,
деталей, рабочие органы

Выкрашивание
Поверхности зубьев шестерен, роликов 
и втулок, цепей, колец подшипников

Излом (вязкий, хрупкий,  
усталостный)

Элементы трансмиссий  
и металлоконструкций

Остаточная деформация
Оси, валы, зубья колес,
звездочек, элементы
металлоконструкций

Трещина
Рамные несущие элементы  
и элементы рабочего оборудования

Срез резьбы
Винтовые соединения

Срез
Шпонки

Вмятина
Рама кожуха

Затупление
Режущие элементы рабочих
органов

Заклинивание (заедание)
Золотники

Проворачивание
Подшипники по посадке

Коррозия
Сопряженные поверхности, обшивки

Увеличенный люфт
Механические передачи, рычаги  
управления

Ослабление креплений
Винтовые соединения

Потеря упругости
Пружины

Разрыв заделки
Шланги, трубопроводы

Расслоение, растрескивание
Шланги, ленты транспортера, ремни 
передач

Разрыв
Шланги, металлические трубопроводы, 
ремни и цепи передач

Механические повреждения
Прокладки, лента транспортера

Нарушение герметичности
Соединения в гидравлических  
и пневматических системах

Пробоина
Баки

Вытягивание
Транспортерная лента, ремень, цепь

Кавитационная эрозия
Элементы гидропривода, землесосных 
снарядов, гидромониторов

Характер повреждения
Примеры элементов, выходящих из строя

Потеря эластичности, старение
Уплотнения

Разрегулировка
Тормоза, муфты, клапаны, контакторы 
и т.п.

Обрыв, пробой, замыкание,  
нарушение контакта,  
электрические повреждения, 
подгорание, загрубление  
тепловой защиты

Элементы электропривода

Перегорание
Осветительная аппаратура

Несрабатывание
Приборы защиты и управления

В полной мере отказ характеризуют причины, признаки (прояв
ления), характер и последствия. Причинами отказов могут быть дефекты, допущенные при конструировании, производстве и ремонте, 
нарушение правил и норм эксплуатации.

Признаками отказа называются непосредственные или косвенные 

воздействия на органы чувств наблюдателя явлений, характерных 
для неработоспособного состояния объекта, или процессов, с ним 
связанных. Например, отсутствует возможность переключения передач, не поднимается груз, наблюдается возникновение определенных шумов (стуков) при включении основного двигателя, изменяются показатели контрольного устройства и т.п.

К последствиям отказа относятся явления, процессы и события, 

возникшие после отказа и в непосредственной причинной связи 
с ним. Например, простои, невыполнение задания, выполнение текущего или капитального ремонта и пр.

Представляет интерес классификация отказов механических сис
тем по различным признакам. Такая классификация может способствовать, например, анализу отказов, выявлению их причин и экономических последствий и решению других задач.

По частоте отказов можно различать отказы единичные и отказы, 

повторяющиеся  п  раз за определенный период наработки. Последние 
могут являться следствием причин, присущих данной модели и условиям ее использования.

В связи с последствиями отказы можно разделить на три катего
рии: легкие (например, разрушение прокладки, утечка масла, незакрепленный несиловой болт), которые не вызывают остановки объекта и могут быть устранены в удобное время; средние, вызывающие 
немедленную остановку объекта для ремонта; тяжелые, которые вызывают не только остановку объекта, но и вторичные значительные 
разрушения. Значительных ресурсов для устранения требуют, как 
правило, два последних вида отказов.

Окончание табл. 1.1