Основы работоспособности технических систем

В.А. ЗОРИН

ОСНОВЫ 
РАБОТОСПОСОБНОСТИ 
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Учебник

Допущено У МО вузов РФ по образованию в области транспортных машин 
и транспортно-технологических комплексов в качестве учебника для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по специальностям направления 
подготовки дипломированных специалистов «Эксплуатация наземного 
транспорта и транспортного оборудования» и по специальности 
«Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (по отраслям)»

' Ж А 

УДК 629.7.07 
ББК 532.2 
3 86

Автор:
Зорин В.А., доктор технических наук, профессор 

Рецензенты:
Федоров В.К., доктор технических наук, профессор; 
Гриб В.В., доктор технических наук, профессор

Зорин В.А. Основы работоспособности технических систем: Учебник 
3 86 для вузов /  В.А. Зорин. М.: ООО «Магистр-Пресс», 2005. 536 с.

ISBN 5-902048-51-6

Обеспечение высокого уровня работоспособности машин является важнейшей 
проблемой машиностроения. Решение этой проблемы возможно только в результате 
проведения 
комплекса 
взаимосвязанных 
мероприятий 
при 
проектировании, 
производстве и эксплуатации машин.
Изучение процессов изменения технического состояния машин в эксплуатации 
до настоящего времени находится в стадии развития. Последние достижения в этой 
области открывают широкие перспективы для проведения дальнейших научных 
исследований, а их внедрение дает значительный технико-экономический эффект.
В 
учебнике 
рассмотрены 
основные 
процессы, 
вызывающие 
снижение 
работоспособности машин: трение и изнашивание, коррозия, усталость и старение 
материалов, а также методы управления этими процессами. Большое внимание уделено 
основам триботехники — научной дисциплине, изучающей трение, изнашивание 
и 
процессы 
смазывания элементов машин. 
Это научное 
направление 
имеет 
междисциплинарный характер, поэтому к решению поставленных задач необходимо 
применять системный подход, дающий возможность более полного учета всех 
факторов, от которых зависит работоспособность машин.
Особое внимание в учебнике уделено математическому аппарату и традиционным 
методам расчета, анализа и прогнозирования надежности машин.

УДК 629.7.07 
ББК 532.2

ISBN 5-902048-51-6

©  
Зорин В .А .,2 0 0 5  

©  
ООО «М агистр-П ресс», 2005

Введение.................................................................................................................7

Глава 1. Основные понятия и определения теории надежности......................9
1.1. 
Основные термины и определения ..................................................... 9
1.2. 
Отказы машин и их элементов.............................................................. 11
1.3. 
Показатели надежности......................................................................... 17

Глава 2. Проблема обеспечения надежности машин...................................... 23
2.1. 
Технический прогресс и надежность машин...................................... 23
2.2. 
История формирования и развития триботехники........................... 25
2.3. 
Роль триботехники в системе обеспечения
долговечности машин.......................................................................................26
2.4. 
Трибоанализ механических систем.......................................................29
2.5. 
Причины изменения технического состояния машин
в эксплуатации ..................................................................................................32

Глава 3. Свойства рабочих поверхностей деталей машин..............................38
3.1. 
Параметры профиля рабочей поверхности детали........................... 38
3.2. 
Вероятностные характеристики параметров профиля.....................43
3.3. 
Контакт рабочих поверхностей деталей сопряжения.......................46
3.4. 
Обоснование и расчет параметров профиля......................................49
3.5. 
Структура и физико-механические свойства материала 
поверхностного слоя детали ........................................................................... 51

Глава 4. Основные положения теории трения................................................. 55
4.1. 
Понятия и определения.........................................................................55
4.2. 
Взаимодействие рабочих поверхностей деталей................................57
4.3. 
Тепловые процессы, сопровождающие трение.................................60
4.4. 
Влияние смазочного материала на процесс трения.......................... 64
4.5. 
Факторы, определяющие характер трения......................................... 66
4.6. 
Расчет коэффициента внешнего трения............................................70
4.7. 
Трение эластомерных материалов...................................................... 73

Глава 5. Изнашивание элементов машин.........................................................78
5.1. 
Общая закономерность изнашивания.................................................78
5.2. 
Виды изнашивания..................................................................................81
5.3. 
Абразивное изнашивание.......................................................................82
5.4. 
Усталостное изнашивание......................................................................90
5.5. 
Изнашивание при заедании.................................................................. 93
5.6. 
Коррозионно-механическое изнашивание........................................ 97
5.7. 
Избирательный перенос. Водородное изнашивание.......................101
5.8. 
Факторы, влияющие на характер и интенсивность 
изнашивания элементов машин...................................................................104
5.9. 
Распределение износа по рабочей поверхности детали..................113
5.10. Закономерности изнашивания элементов машин...........................117

5.11. Математическое описание изнашивания.........................................120
5.12. Вероятностный анализ изнашивания................................................125
5.13. Методы расчета износа сопряжений машин....................................130
5.14. Расчет предельного износа сопряжений..........................................141
5.15. Прогнозирование износа сопряжений............................................. 143

Глава 6. Влияние смазочных материалов на долговечность элементов машин 
150
6.1. 
Назначение и классификация смазочных материалов..................150
6.2. 
Виды смазки..........................................................................................151
6.3. 
Гидродинамическая смазка.................................................................154
6.4. 
Эластогидродинамическая смазка.....................................................159
6.5. 
Граничная смазка.................................................................................. 162
6.6. 
Механизм смазочного действия масел............................................. 164
6.7. 
Свойства жидких и пластичных смазочных материалов...............168
6.8. 
Присадки............................................................................................... 177
6.9. 
Требования, предъявляемые к маслам
и пластичным смазочным материалам........................................................179
6.10. Изменения свойств жидких и пластичных
смазочных материалов в процессе работы...................................................186
6.11. Твердые смазочные материалы .......................................................... 191

Глава 7. Усталость материалов элементов машин................................................ 196
7.1. 
Условия развития усталостных процессов........................................196
7.2. 
Механизм усталостного разрушения материала............................. 198
7.3. 
Математическое описание процесса усталостного разрушения
материала..........................................................................................................203
7.4. 
Расчет параметров усталости..............................................................206
7.5. 
Оценка параметров усталости материала детали методами
ускоренных испытаний..................................................................................208

Глава 8. Коррозионное разрушение деталей машин.............................................212
8.1. 
Классификация коррозионных процессов......................................212
8.2. 
Механизм коррозионного разрушения материалов........................213
8.3. 
Влияние коррозионной среды на характер разрушения деталей.... 215
8.4. 
Условия протекания коррозионных процессов.............................. 218
8.5. 
Виды коррозионного разрушения поверхности деталей...............220
8.6. 
Факторы, влияющие на развитие коррозионных процессов........ 222
8.7. 
Методы защиты элементов машин от коррозии.............................224

Глава 9. Система сбора информации и методы оценки надежности машин 
226
9.1. 
Цели и задачи сбора информации и оценки надежности машин.....226
9.2. 
Структура первичных данных и формы учетной документации.....227
9.3. 
Методы сбора информации при эксплуатации машин................. 229
9.4. 
Экспертная оценка надежности машин........................................... 232
9.5. 
Расчетно-аналитические методы оценки надежности машин......237
9.6. 
Методы испытаний машин на надежность......................................240

Глава 10. Методы и средства экспериментальных исследований......................248
10.1. Методы измерения износа деталей и сопряжений 
 
........... 248
10.2. Голографические методы оценки технического состояния 
элементов машин.............................................................................................259
10.3. Методы и оборудование для испытаний элементов машин
на изнашивание...............................................................................................262
10.4. Методы и оборудование, применяемые при оценке свойств 
смазочных материалов....................................................................................265
10.5. Физическое моделирование процессов изнашивания....................270
10.6. Экспертные методы оценки значимости факторов, 
определяющих изнашивание элементов машин ...................................... 278

Глава 11. Методы обработки информации о надежности..................................284
11.1. Основные законы распределения случайных величин, 
применяемые в теории надежности.............................................................284
11.2. Проверка гипотезы о законе распределения....................................293
11.3. Определение числа объектов наблюдений....................................... 298
11.4. Проверка однородности результатов наблюдений......................... 301
11.5. Статистическая оценка показателей надежности............................307
11.6. Графоаналитический метод определения параметров законов 
распределения показателей надежности.................................................... 313
11.7. Методы повышения достоверности статистических оценок 
показателей надежности.................................................................................322

Глава 12. Обеспечение надежности машин..........................................................333
12.1. Общие понятия об управлении надежностью машин....................333
12.2. Планирование показателей надежности машин..............................341
12.3. Программа обеспечения надежности машин...................................350
12.4. Жизненный цикл машин.....................................................................357
12.5. Восстановление работоспособности машин смазочными 
материалами и рабочими жидкостями.........................................................371
12.6. Восстановление деталей и сборочных единиц полимерными 
материалами..................................................................................................... 388
12.7. Система технического обслуживания и ремонта машин............... 404

Глава 13. Основные направления повышения надежности машин....................415
13.1. Общая характеристика способов повышения надежности 
415
13.2. Конструктивные мероприятия повышения надежности............... 415
13.3. Технологические мероприятия повышения надежности.............. 420
13.4. Эксплуатационные мероприятия повышения надежности 
426
13.5. Нормирование показателей надежности...........................................432
13.6. Экономическая эффективность мероприятий повышения 
надежности машин.........................................................................................434

Глава 14. Прогнозирование надежности машин..................................................439
14.1. Основные направления, цели и задачи
прогнозирования надежности машин.........................................................439

14.2. Методы прогнозирования надежности.............................................443
14.3. Оценка качества прогнозирования надежности............................. 452

Глава 15. Оценка долговечности элементов машин ........................................... 457
15.1. Представление результатов трибоанализа элементов машин........457
15.2. Определение показателей долговечности элементов машин........460
15.3. Модели оптимизации долговечности машин..................................462

Глава 16. Долговечность основных элементов и систем машин ........................469
16.1. Режимы работы и долговечность силовой установки.....................469
16.2. Режимы работы и долговечность элементов трансмиссии............481
16.3. Режимы работы и долговечность элементов ходовой части..........490
16.4. Долговечность электрооборудования машин..................................492
16.5. Методика определения оптимальной долговечности машин.......495

Глава 17. Расчет требований к долговечности машины и ее элементов.............500
17.1. Расчет ресурсов машины (оборудования)........................................ 500
17.2. Анализ структурных схем надежности машины и ее элементов.....503
17.3. Расчет требований к ресурсным показателям элементов машины ..511

Приложения ...................................................................................................................516
Список литературы..................................................................................................535

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность использования и качество функционирования машин определяются уровнем их работоспособности и надежности. Общая продолжительность простоев машин и оборудования в техническом 
обслуживании и ремонтах составляет значительную долю годового 
фонда рабочего времени. Потери народного хозяйства, связанные с 
обеспечением работоспособности машин за период эксплуатации, в 
несколько раз превышают их первоначальную стоимость.
Обеспечение надежности машин является сложной проблемой, 
для решения которой необходимо проведение комплекса конструкторских, технологических и организационных мероприятий на всех стадиях сущ ествования машины.
Конструирование машины, обоснование технологии изготовления и сборки ее основных элементов, разработку и оптимизацию управляющих воздействий, направленных на поддержание работоспособности 
машин в эксплуатации, следует проводить, учитывая техническое 
состояние основных сборочных единиц и закономерности его изм енения в процессе работы маш ины.
Качество промышленной продукции вообще и машин в частности оценивается с помощью различных показателей: назначения, 
надежности, технологичности, эргономичности, стандартизации и 
унификации, патентно-правовых. Надежность является одним из основных свойств и во многом определяет качество изделий.
Из всего многообразия показателей, характеризующих технический уровень машин, 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 и научить в рамках 
дипломного и/или курсового проектирования практическому применению методов их обеспечения на стадиях разработки изделий и при их 
эксплуатации.
Недостаточная надежность машин сказывается на уменьшении 
их производительности из-за простоев в ремонте, на величине материальных и трудовых затрат на их содержание, на росте капитальных 
вложений в производственные фонды ремонтного производства и промышленность, занятую выпуском запасных частей.
Для управления уровнем надежности требуется знание широкого 
круга вопросов по основам теории вероятностей и математической статистике, триботехнике; методам проектирования, производства и эксплуатации машин и др. Большинство из этих вопросов рассматриваются в данном учебнике, причем основное внимание уделяется вопросам

обеспечения планируемого уровня работоспособности и надежности 
машин при проектировании и эксплуатации с учетом их специфики.
Основы работоспособности, приборы и методы исследований, а 
также пути повышения надежности объекта изучают в теории надежности. Теория надежности находится на стыке нескольких наук: теории 
вероятностей и математической статистики, теории трения и изнашивания, теории эксперимента и др. Основной задачей теории надежности является изучение закономерностей возникновения отказов и 
неисправностей объекта и на базе результатов исследований разработка 
мероприятий, направленных на обеспечение выполнения объектом заданных функций с наименьшими затратами.
Повышение надежности машин имеет огромное народнохозяйственное значение. Для обеспечения надежной работы машин необходимо постоянно совершенствовать их конструкцию и технологию 
производства, разрабатывать и внедрять мероприятия по поддержанию 
работоспособности машин в эксплуатации.
Решать эти задачи призваны инженерные кадры, знакомые с теорией надежности и способные применить свои знания при проектировании, производстве и эксплуатации машин. В связи с этим изучение 
научных основ обеспечения работоспособности машин должно стать 
неотъемлемой частью учебного процесса в технических вузах страны.
При подготовке учебника использованы материалы доктора 
технических наук, профессора Д.П. Волкова и доктора технических 
наук, профессора B.C. Бочарова /1, 2/. Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору В. В. Грибу и доктору 
технических наук, профессору В.К. Федорову за рекомендации по улучшению рукописи, высказанные при ее рецензировании. Все замечания 
читателей по содержанию и форме изложения будут приняты автором с 
признательностью.

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 изделия, машины, оборудования или 
отдельной сборочной единицы. Объект, предназначенный для самостоятельного выполнения заданных функций, будем называть системой. 
Система представляет собой совокупность элементов. Например, если 
бульдозер рассматривается в качестве системы, то его отдельные детали 
и сборочные единицы являются элементами этой 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 прочее.
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, 
повреждение лопасти вентилятора системы охлаждения двигателя).
Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособности 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, причи