Основы долговечности строительных и дорожных машин

В
. А
.  З о р и н

ОСНОВЫ
ДОЛГОВЕЧНОСТИ 
СТРОИТЕЛЬНЫХ 
И ДОРОЖНЫХ 
МАШИН

МАШИМОСТРОЕНИЕ

В. А. Зорин
ОСНОВЫ
ДОЛГОВЕЧНОСТИ 
СТРОИТЕЛЬНЫХ 
И ДОРОЖНЫХ 
МАШИН

Допущ ено Министерством высш его и среднего 
специального образования СССР 
в качестве учебного пособия 
для студентов высш их учебных заведений, 
обучающихся по специальности
"Строительные и дорожные машины и оборудование".

МОСКВА
"МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1986

Б Б К  38.6-5 
3-86
У Д К  625.7.002.5«401.7»(07)

Рецензенты: кафедра «Строительные и дорожные машины» 
В ЗИ И Ж Т, д-р техн. наук проф. Д . Н . Гаркунов

Зорин В. А.

3-86 
Основы долговечности строительных и дорожных машин: 
Учеб. пособие для вузов по специальности «Строительные 
и дорожные машины и оборудование». — М.: Машиностроение, 1986, 248 с., ил.

В пер.: 90 к.

П роанализированы основные процессы, вызывающие снижение д олговеч ности строительных и дорож ны х машин: трение, изнашивание, к о ррозия, усталость 
и старение материалов. Приведены методы управления этими процессами, указаны  
способы повышения долговечности деталей, механизмов и систем.
Уделено внимание вопросам триботехники — науки о трении, изнашивании 
и смазке.

0 3204010000-293 
вс 
ББК 38.6-5
3 
038'(01)-86 
293' 86 
6С6.08

©  
Издательство «Машиностроение», 1986 г.

Эффективность использования и качество функционирования дорожно-строительных машин определяются уровнем их 
надежности. Общая продолжительность простоев дорожно-строительных машин и оборудования в техническом обслуживании и 
ремонтах составляет значительную долю годового фонда рабочего времени. Потери народного хозяйства, связанные с обеспечением долговечности и безотказности строительных машин за 
период эксплуатации, в несколько раз превышают их первоначальную стоимость.
Обеспечение долговечности машин является сложной проблемой, для решения которой необходимо проведение комплекса 
конструкторских, технологических и организационных мероприятий на всех стадиях существования машины.
Дорожно-строительное машиностроение имеет следующие основные направления развития:
создание технологических комплексов, т. е. машин и рабочего 
оборудования различных типов, которые могут быть объединены 
в 
системы, 
обеспечивающие выполнение определенного 
круга 
работ;
расширение функционального назначения изделий, создание 
сложных машин, 
предназначенных для выполнения большого 
числа рабочих операций;
повышение требований 
к 
качеству 
продукции 
и 
точности 
функционирования 
машин;
повышение эффективности работы машин (производительности, 
мощности, грузоподъемности); 
снижение материалоемкости;
автоматизация 
рабочих 
процессов, 
вызывающая 
необходимость применения специальных методов расчета долговечности 
машин.
Конструирование машины, обоснование технологии изготовления и сборки ее основных элементов, разработку и оптимизацию 
управляющ их воздействий, направленных на поддержание работоспособности машин в эксплуатации, следует проводить, учитывая техническое состояние основных сборочных единиц и закономерности его изменения в процессе работы машины.

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 учебном пособии рассмотрены основные процессы, вызывающие снижение долговечности 
дорожно-строительных 
машин: 
трение и изнашивание, коррозия, усталость и старение материалов, 
а такж е методы управления этими процессами. Большое внимание 
уделено основам триботехники, 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 долговечность элементов машин.

Г Л А В А  1

ПРОБЛЕМА 
ОБЕСПЕЧЕНИЯ 
ДОЛГОВЕЧНОСТИ 
ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ 
МАШИН

§ 1. ТЕХНИЧЕСКИЙ 
ПРОГРЕСС 
И 
НАДЕЖНОСТЬ МАШИН

С развитием научно-технического прогресса возникают 
все более сложные проблемы, для решения которых необходимы 
разработки новых теорий и методов исследований. В частности, 
в машиностроении вследствие усложнения конструкции машин, их 
технической эксплуатации, а также технологических процессов 
требуется обобщение и более квалифицированный, строгий инженерный подход к решению задач обеспечения долговечности техники.
Технический прогресс связан с созданием сложных современных машин, приборов и рабочего оборудования, с постоянным 
повышением требований к качеству (которое характеризуется 
долговечностью, 
безотказностью, 
ремонтопригодностью, 
сохра- 
няе?лостыо, металлоемкостью, экономичностью, эстетичностью и 
другими свойствами), а такж е с ужесточением режимов работы 
(увеличением скоростей, рабочих температур, нагрузок). Все это 
явилось основанием для развития таких научных дисциплин, 
как теория надежности, триботехника, техническая диагностика.
Надежностью называют свойство объекта (машины в целом 
или отдельной сборочной единицы) сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих 
способность выполнять требуемые функции в заданных режимах 
и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, 
хранения и транспортирования. Надежность — сложное с е о й с т в о , 
которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетаний свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.
Долговечность — с е о й с т в о  
объекта сохранять 
работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.
Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.
Из приведенных определений видно, насколько эти два свойства тесно связаны между собой. Поэтому очевидно, что мероприятия, направленные на обеспечение долговечности и безотказности 
.машин, неразделимы.

Историю развития научных исследований в этом направлении 
можно представить в виде четырех этапов. Первый этап (50-е гг. 
XX века) — становление направления, период формирования задач исследований. В этот период было положено начало систематического изучения долговечности и безотказности машин, сформулированы требования к их количественным показателям.
Второй этап (60-е гг.) — формирование классической теории 
надежности. В нашей стране в этот период широкую известность 
получили работы Б. В. Гнеденко, Ю. К. Беляева, А. Д. Соловьева, 
Я. Б. Шора. Д ля этого периода характерно начало изучения долговечности и безотказности механических систем на стадии проектирования, разработка методов расчета элементов машин с учетом 
статистических данных о надежности, организация систематического сбора и статистической обработки информации о надежности, нормирование показателей долговечности и безотказности.
Третий этап (70-е гг.) 
характеризуется 
системным подходом 
к анализу надежности машин с учетом технико-экономических 
показателей, перспектив развития техники. В этот период были 
разработаны и нашли широкое применение в ряде отраслей машиностроения методы управления долговечностью и безотказностью 
машин в эксплуатации, основанные на анализе статистических 
данных об отказах сборочных единиц с учетом затрат на обеспечение их работоспособного состояния. Большой вклад в развитие 
таких методов для автомобилей и дорожно-строительных машин 
сделан советскими учеными А. М. Шейниным, Е. С. Кузнецовым, 
Д. П. Волковым и другими.
Четвертый этап (современный) предусматривает разработку 
и внедрение комплекса мероприятий по обеспечению долговечности 
и безотказности основных элементов при конструировании, изготовлении и эксплуатации машин. Зти мероприятия разрабатывают на основе результатов анализа физической сущности и закономерностей изменения процессов, происходящих в элементах 
машины в период ее эксплуатации.
Такой характер развития исследований долговечности машин — 
от статистического описания к анализу физических процессов — 
не случаен. Он объясняется законом перехода количественных 
изменений в качественные. Первые этапы развития работ в области обеспечения надежности изделий машиностроения были 
евязаны с накоплением информации, ее обобщением и анализом. 
Вследствие сложности процессов изменения технического состояния машин и отсутствия инженерных методов и приборов, позволяющ их зарегистрировать эти процессы, в ходе исследований ограничивались сбором статистических данных об отказах и неисправностях сборочных единиц. Иначе говоря, пользуясь терминологией теории систем, можно отметить, что исследования надежности 
машин велись на макроуровне, без учета процессов, которые 
вызывают изменение технического состояния основных элементов 
и сборочных единиц. Это обеспечивало возможность количественной оценки долговечности без учета «механизма» снижения работоспособности машины.
Характерной чертой нашего времени является все более широкое использование достижений фундаментальных естественных 
наук при решении конкретных инженерных задач. В частности, 
создание оптических квантовых генераторов (лазеров), оборудования для спектрального анализа материалов, разработка таких 
методов, как феррография и хроматография, открыли принципиально новые возможности для 
проведения экспериментальных 
исследований 
при 
решении 
задач 
обеспечения 
долговечности 
машин.
Современные методы физических исследований и экспериментальное оборудование, созданное в последние годы, позволяют 
не только зарегистрировать процессы изменения технического 
состояния элементов машин, но и оценить влияние основных 
факторов на характер протекания этих процессов. Таким образом, 
в настоящее время созданы необходимые условия для проведения 
анализа долговечности элементов машин на микроуровне, что 
позволяет более строго обосновать мероприятия по обеспечению 
их работоспособности.
Исследование процессов изменения технического состояния 
машин является предметом новой научной дисциплины — триботехники.

§ 2 . ИСТОРИЯ 
ФОРМИРОВАНИЯ 
И 
РАЗВИТИЯ
ТРИБОТЕХНИКИ

Триботехника является областью новой научной дисциплины — трибоники, изучающей взаимодействие рабочих поверхностей деталей при их относительном перемещении. Слово трибоника произошло от греческого «tribos» — трение. 
Объектом 
изучения триботехники являю тся механические системы, узлы 
трения машин, функционирование которых сопровождается процессами трения и изнашивания. Предметом исследования служат 
процессы трения, изнашивания, смазывания элементов машин, 
т. е. процессы, вызывающие изменение технического состояния 
изучаемых систем.
Целью исследования триботехники является разработка принципов, методов и технических средств обеспечения долговечности 
машин. Триботехника (трибоника), как самостоятельное научное 
направление, сформировалась в 50—60-е 
гг. 
XX века, т. е. 
в период создания мощных двигателей, а также ужесточения 
режимов работы машин.
Теоретической базой триботехники являются физика (теория 
трения), химия, математическая физика; инструментом исследования — методы, применяемые в естественных науках, а такж е 
математический аппарат.
Первые зарегистрированные количественные исследования трения были проведены Леонардо да Винчи в середине XV в. Его

экспериментальный подход по существу аналогичен используемому в настоящее время при проведении простых лабораторных 
работ по измерению силы и момента трения.
Важным шагом на пути развития теории трения и износа 
явилось открытие основных 
законов 
классической механики, 
сделанное Ньютоном в конце X V Ii в. Эти законы явились основой 
для разработки правил трения твердых тел без смазочного материала (сухого трения), сформулированных Амонтоном (1699 г.) 
и Кулоном (1785 г.).
В конце X IX  в. Н. П. Петровым и Б. Тауэром различными 
путями было доказано существование устойчивых пленок смазывающей жидкости в радиальных подшипниках. В начале XX в. 
одновременно у Мичелла (Австрия) и Кингсбери (США) возникла 
идея 
подшипника с самоустанавливающимся 
вкладышем. Эти 
работы были первыми научными исследованиями с практическим 
инженерным приложением. Д альнейш ие исследования процессов 
трения и изнашивания, проведенные советскими учеными Г1. А. Ребиндером, В. Д. Кузнецовым, Л. К. Зайцевым, И. В. Крагель- 
ским, Д. Н. Гаркуновым, М. М. Хрущевым, Б. И. Костецкнм и 
зарубежными исследователями Ф. Боуденом и Д. Доусоном (Англия), Г. Флайшером (ГДР), Э. Рабиновичем (США) и другими, 
позволили раскрыть механизм и физическую сущность процессов 
взаимодействия контактирующих поверхностей при наличии смазочного материала и без него. Результаты этих исследований 
явились 
теоретическими 
предпосылками 
для 
математического 
описания явлений трения и изнашивания. Часть из них имела 
прямое инженерное приложение.
Таким образом, триботехника не является 
новой научной 
дисциплиной в традиционном понимании. Термин «триботехника» 
определяет новый взгляд на давно изучаемый предмет, новый 
подход к его исследованию.

§ 3. РОЛЬ ТРИБОТЕХНИКИ 
В СИСТЕМЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ДОЛГОВЕЧНОСТИ 
МАШИН

Триботехника изучает процесс взаимодействия рабочих 
поверхностей деталей с 
целью разработки 
практических 
мероприятий по повышению надежности машин.
Долговечность машин закладывается на стадии конструирования и зависит от конструкции, применяемых материалов, защитных покрытий, смазочных материалов и других факторов. Б ол ьшое значение имеют такж е применяемые при проектировании 
методы расчета износостойкости деталей и сопряжений.
Долговечность машин обеспечивается и на стадии производства, зависит от применяемых видов обработки деталей (механической или химико-термической), технического уровня и состояния станочного парка, режимов обкатки.
Возможности реализации заложенной в машине долговечности 
в процессе эксплуатации определяются принятой системой и качеством технического обслуживания и ремонта, квалификацией 
обслуживающего персонала, воздействием внешней среды.
Таким образом, обеспечение долговечности является комплексной проблемой, для решения которой требуется проводить новые 
организационно-технические мероприятия при проектировании, 
производстве и эксплуатации машин.
Чтобы наиболее полно учесть влияние всех факторов при 
анализе надежности машин, необходимо применять системный 
подход. С этой целью сопряжение, сборочную единицу и машину 
в целом рассматривают как механические системы. Основными 
свойствами любой системы являются организованность, управляемость и относительность.
Организованность 
предусматривает 
наличие 
определенной 
структуры, упорядоченность элементов, входящих в состав системы.
Управляемость — способность системы однозначно изменяться 
под воздействием определенных факторов.
Относительность (иерархичность) это положение, когда любая 
система является подсистемой более крупной системы. Например, 
бульдозер может быть представлен как система, если рассматривается его надежность, или как подсистема, если рассматривается 
готовность парка машин. Из свойства относительности (иерархичности) систем вытекают следующие законы:
системы на каждом уровне принадлежат различным по степени сложности классам;
все теоретические и эмпирические закономерности, полученные 
на нижнем уровне, 
справедливы для любого более высокого 
уровня сложности системы данного класса;
чем выше уровень сложности системы, тем большее количество 
неизвестных элементов (переменных параметров) и закономерностей требуется для ее описания. Эти законы лежат в основе методологии исследования и управления долговечностью машин.
Поскольку с повышением уровня сложности системы (табл. 1) 
возрастает число переменных параметров, а следовательно, 
и 
степень неопределенности ее состояния, возрастает роль вероятностных методов при управлении долговечностью. Н а четвертом 
и пятом уровнях при решении задач обеспечения долговечности 
широко 
используют 
статистические 
и 
технико-экономические 
методы.
Разработка мероприятий по обеспечению долговечности машин 
на остальных трех уровнях долж на базироваться на результатах 
исследований процессов, происходящих в элементах машин в период эксплуатации. 
К таким 
процессам относятся 
процессы: 
изменения параметров деталей вследствие изнашивания; старения, усталости материалов деталей; изменения параметров деталей вследствие пластических деформаций; 
изменения 
физикомеханических свойств материалов деталей под влиянием о к р у ж а ющей среды в период эксплуатации 
(разупрочнение, 
наклеп,

Т а б л и ц а  1

Иерархическая структура парка дорожно-строительных машин как системы

Уровень
с л о ж ности

Стадия

конструировани я
производства
эксплуатации

1
Д еталь
Расчет износостойкости 
и 
долговечности

Обоснование методов обработки
Обоснование 
методов 
восстановления. Расчет ресурса

II
С опряжение

Подбор 
материалов, 
обоснование 
параметров. 
Расчет 
долговечности

Обоснование методов сборки, 
приработки

Экспертиза 
отказов, обоснование периодичности 
управляю щ их воздействий

III
Сборочная
единица

Расчет 
показателей 
надежности; 
обоснование 
реж имов работы; расчет 
периодичности 
технического обслуживания и ремонтов

Обеспечение 
при 
сборке 
установленных норм точности 
и промышленной чистоты

Расчет потребности в запасных 
ч а стях, 
расчет 
оптимальной 
периодичности управляющ их 
воздействий

IV
Машина
Расчет 
показателей 
надежности; 
формирование видов 
технического обслуж ивания и ремонтов

Обоснование 
режимов и продолж ительности 
обкатки; 
обеспечение 
промышленной чистоты

Оптимизация 
в и дов и периодичности 
управляю щ их 
во здействий с 
учетом 
условий 
эксплуатации

V
П арк
машин

Расчет 
потребности в запасных частях 
и 
эксплуатационных материалах

Расчет 
комплексных показателей н адежности — коэффициентов 
готовности 
и технического 
использования

коррозия, 
снижение эластичности 
резинотехнических 
изделий 
и т. п.).
Все эти процессы ведут к снижению работоспособности деталей машин. Они являю тся следствием физико-химических процессов: теплообмена, взаимодействия контактирующих поверхностей деталей при 
работе машины, 
изнаш ивания, 
истечения 
смазочного материала, окисления и коррозии материалов.
Д л я  разработки мероприятий по обеспечению долговечности 
машины на всех этапах ее существования необходимо иметь полную информацию о физико-химических процессах, происходящих 
в элементах машины во время эксплуатации.

Рис. 1 . Диаграмма, характеризую щ ая 
структуру экономического эффекта от 
применения методов триботехники:
/ — уменьшение потерь на трение на 2 %;
2 — сокращ ение 
капитальных 
вложений 
на 3 %; 3 — уменьшение расхода запасных 
частей на 5 %; 4 — сокращ ение трудовы х 
ресурсов на 5 %; 5 — уменьшение расхода 
топлива и смазочных материалов на 15 %;
6 — уменьшение затрат 
на 
техническое 
обслуживание и ремонт на 25 %; 7 — п о вышение долговечности машин на 45 %

Знание закономерностей изнашивания позволяет рассчитать 
ресурс деталей, определить периодичность проведения регулировочных работ. Знание процессов старения смазочного материала 
позволяет определить оптимальную периодичность его замены, 
обеспечить рациональный режим трения деталей. Знание процессов взаимодействия рабочих поверхностей деталей позволяет правильно рассчитать профиль их рабочих поверхностей, подобрать 
материалы деталей и рациональные режимы приработки.
Общий экономический эффект от внедрения результатов исследований в области триботехники в масштабах страны составляет 
миллиарды рублей (рис. 1).
Системный анализ проблемы обеспечения надежности машин 
показывает, что для ее успешного решения необходимо, во-первых, разработать единый комплекс мероприятий по обеспечению 
долговечности изделий на стадии их производства, конструирования и эксплуатации, объединив, таким образом, усилия людей, 
работающих в соответствующих сферах; во-вторых, осуществить 
комплексное применение статистических (на IV и V уровне слож ности) и физико-химических (на I— III уровне) методов исследования.

§ 4. ТРИБОАНАЛИЗ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Анализ механической системы с позиций триботехники 
позволяет выявить совокупность факторов, определяющих процесс изменения технического состояния элементов машины, и 
наметить основные направления исследований по обеспечению 
надежности. По результатам трибоанализа механической системы 
построена схема, показанная на рис. 2. Н а схеме приведены основные группы факторов, определяющих долговечность сопряжения: 
показатели, 
характеризующие 
исходное 
состояние 
системы 
(блок /); показатели, определяющие условия работы и режим 
взаимодействия деталей (блок II); показатели, характеризую щие 
изменение 
состояния 
элементов 
системы 
в 
процессе 
работы 
(блок II I ) . Стрелками показано взаимодействие входных и выходных параметров системы. Результаты трибоанализа позволяют 
разработать комплекс мероприятий по обеспечению долговечности 
деталей и сопряжений машин на стадиях конструирования К, 
производства П и эксплуатации Э; подобрать материалы, обеспе