Файл: Физические основы надежности.doc

В. А. Четвергов, с. М. Овчаренко

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ

ОМСК 2002

Министерство путей сообщения Российской Федерации

Омский государственный университет путей сообщения

_______________

В. А. ЧЕТВЕРГОВ, С. М. ОВЧАРЕНКО

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ

Конспект лекций

Утверждено редакционно-издательским советом университета

Омск 2002

УДК 629.424.01

Физические основы надежности: Кон­спект лекций / В. А. Четвергов,

С. М. Овчаренко. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2002. 37 с.

В конспекте лекций изложены вопросы, посвященные взаимосвязи надежности и долговечности технических систем с физико-химическими процессами, протекающими в материалах деталей в процессе эксплуатации. Рассмотрены общие вопросы механического разрушения металлов и полимерных материалов, процессы механического образования трещин, теплового и электрического разрушения тел.

Цель конспекта лекций – самостоятельное закрепление знаний, полученных студентами в процессе изучения курса «Надежность и диагностика локомотивов».

Предназначены для студентов 5-го курса очной и заочной форм обучения по специальности «Локомотивы».

Библиогр.: 3 назв. Табл. 2. Рис. 1.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. Г. Григоренко;

доктор техн. наук, профессор В. В. Лукин.

________________________

 Омский гос. университет

путей сообщения, 2002

ВВЕДЕНИЕ

Современная наука характеризуется процессами дифференциации и интеграции, появлением так называемых стыковых областей человеческих знаний. Последние десятилетия ознаменовываются возникновением наук, представляющих собой комплексы научных знаний. Так возникла кибернетика, формируются законы управления и целый ряд других наук.

К категории основных и очень важных направлений в современной науке относится проблема надежности и долговечности, включающая в себя комплекс сложных и многогранных по своему содержанию вопросов.

Наука о надежности и долговечности базируется на целом ряде отраслей человеческих знаний, таких как теория вероятностей, физические закономерности, в частности та отрасль физики, которая имеет условное название «Физика отказов», на научных основах современной технологии.

Эта наука является комплексной, и успешное решение ее проблем возможно на основе учета методологических аспектов и использования достижений современных технических и естественных наук.

В конспекте лекций в общем виде рассмотрено развитие процессов, приводящих к возникновению отказов, что является важным при решении многих задач надежности. Осмысление физических процессов, происходящих в материалах работающих деталей, позволяет инженеру профессионально подойти к разработке математических моделей надежности работы технических систем, в частности локомотивов.

5

1. Классификация процессов изменения свойств материалов

За пять десятилетий с момента выделения надежности технических средств как самостоятельной прикладной науки существенное развитие получили математические системы теории надежности. Однако в последнее время, в том числе в связи с разработкой методов диагностирования, все большее внимание привлекают вопросы, связанные с физико-техническими аспектами, с физикой отказов [1].

Общепринятые показатели надежности могут быть представлены как функции физических характеристик и параметров элементов и скорости их изменения в зависимости от различных факторов, действующих при эксплуатации, ремонте и хранении. Так, вероятность возникновения отказов вследствие нарушения механической, электрической или тепловой прочности можно определить как

, (1)

где x – запас прочности (механической, электрической или тепловой);

–скорость изменения запаса прочности вследствие протекающих внутри или на поверхности веществ химических процессов;

–вероятностные прочностные характеристики материалов.

В общем случае необходимо рассматривать механическую, электрическую или тепловую прочность материала и действие различных факторов, вызывающих изменение запаса прочности, т. е.

. (2)

Вероятность безотказной работы определяется как p = 1  q, а интенсивность отказов

. (3)

6

Учитывая равенство (2), можно определить общую интенсивность отказов как сумму интенсивностей отказов под действием механических, электрических и тепловых факторов:

. (4)

В связи с этим основным направлением дальнейшего развития теории и практики надежности является сочетание статистических, вероятностных методов анализа надежности с глубоким проникновением в физическую (или физико-химическую) сущность процессов, протекающих в изделии. Для этого необходимо установление непосредственной зависимости основных показателей надежности от физических свойств и параметров материалов элементов, от физико-химических процессов их изменения и от интенсивности эксплуатационных воздействий с учетом случайного характера величин и процессов. Изучение физических закономерностей изменения свойств и параметров элементов, кинетики процессов, вызывающих эти изменения, представляется особенно важным, если иметь в виду, что существо проблемы надежности заключается в конечном счете в изменчивости материалов и элементов во времени при заданных условиях эксплуатации.

2. Классификация процессов изменения свойств работоспособности элементов

Изменения параметров и характеристик элементов во времени, обусловленные происходящими в них физико-химическими процессами, являются наиболее общей причиной отказов элементов. Процесс возникновения отказа представляет собой, как правило, некоторый временной процесс, внутренний механизм и скорость которого определяются структурой и свойствами материала, напряжениями, вызванными нагрузкой, и температурой. Вследствие этого классификация отказов технических устройств по их физической природе должна представлять собой прежде всего классификацию физико-химических процессов, непосредственно или косвенно влияющих на работоспособность элементов и возникновение отказов, а также классификацию условий протекания процессов. Такая классификация процессов может быть проведена по следующим признакам:

 по типу (классу) материала элемента;

 месту протекания процессов, влияющих на работоспособность

элемента;

7

 виду энергии, определяющей характер процесса;

 типу эксплуатационного воздействия;

 характеру (внутреннему механизму) процесса.

Материалы элементов технических устройств представляют собой в большинстве случаев кристаллические твердые тела. По наиболее существенному для процессов, связанных с изменением свойств материалов, критерию природе сил связи между атомами (или ионами) и соответствующей кристаллической структуреразличают три основных класса кристаллических твердых тел: металлы, ионные кристаллы, ковалентные кристаллы. Основные физические характеристики указанных классов твердых тел приведены в табл. 1 [1].