Виды отказов металлических конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"

Реферат

Виды отказов металлических конструкций

Е.А. Яцюк

Екатеринбург

2015



Содержание

Введение

1. Общее понятие отказа

2. Классификация отказов

3. Характеристика отказов

4. Причины отказов металлических конструкций

5. Изнашивание

6. Чрезмерные упругие деформации

7. Ползучесть металлов

Заключение

Библиографический список



Введение

Переход объекта из одного вышестоящего технического состояния в нижестоящее обычно происходит вследствие событий: повреждений или отказов. Совокупность фактических состояний объекта и возникающих событий, способствующих переходу в новое состояние, охватывает так называемый жизненный цикл объекта, который протекает во времени и имеет определенные закономерности, изучаемые в теории надежности. Включающие в себя такие понятия, как повреждения, отказ и т.д. Рассмотрим эти понятия как можно полноценнее.

Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.

Отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Применительно к отказу и повреждению рассматривают такие критерий, как причину, признаки, характер и последствия.

Под критериями отказа понимаются признаки, позволяющие установить факт нарушения работоспособности. Наиболее распространенными критериями отказов являются трещины, нарушения регулировок, износ и др.

Причинами отказов объектов могут быть дефекты, допущенные при конструировании, производстве и ремонте, нарушение правил и норм эксплуатации, различного рода повреждения, а также естественные процессы изнашивания и старения.

Признаками отказов объектов называются непосредственные или косвенные воздействия на органы чувств наблюдателя явлений, характерных для неработоспособного состояния объекта (падение давления масла, появление стуков, изменение температурного режима и т.д.).

Характером отказа (повреждения) являются конкретные изменения в объекте, связанные с возникновением отказа (обрыв провода, деформация детали и т.д.).

В данной работе я буду рассмотреть классификацию, причины и последствия отказов металлических конструкций.

В большинстве случаев отказ формируется в результате нескольких одновременно протекающих процессов, характер протекания и интенсивность которых зависит от совокупности воздействий и свойств изделия. Так, развитие усталостного повреждения интенсифицируется в коррозионной среде, механический износ ускоряется в условиях низких температур, хрупкому разрушению обычно предшествует усталостное повреждение и т. д.



1. Общее понятие отказа

Под отказом понимается событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности системы.

Отказ может быть связан с нарушением в выполнении каких-либо заданных функций (отказ функционирования) или с недостаточной квалификацией обслуживающего персонала, в результате которой система не выполняет заданные функции удовлетворительно. Отказы могут быть связаны с изменением параметров или характеристик системы, т.е. одна из основных функций выполняется плохо (отказ по параметру).

2. Классификация отказов

Классифицировать отказы можно в зависимости от характера и особенностей, от момента возникновения. Перейдем к классификации отказов: утрата работоспособность функционирование металлический

1. По характеру изменения параметра до момента возникновения отказа:

- внезапный отказ;

- постепенный отказ.

2. По связи с другими отказами:

- независимый отказ;

- зависимый отказ.

3. По возможности последующего использования после возникновения отказа:

- полный отказ;

- частичный отказ.

4. По характеру устранения отказа:

- устойчивый отказ;

- самоустраняющийся отказ (сбой или перемежающийся отказ).

5. По наличию внешних проявлений:

- очевидный (явный) отказ;

- скрытый (неявный) отказ.

6. По причине возникновения:

- конструкционный отказ;

- технологический отказ;

- эксплуатационный отказ.

7. По природе происхождения:

- естественный отказ;

- искусственный отказ (вызываемый намеренно).

8. По времени возникновения отказов:

- отказ при испытаниях;

- отказ периода приработки;

- отказ периода нормальной эксплуатации;

- отказ последнего периода эксплуатации.

3. Характеристика отказов

Постепенные (износные) отказы характеризуются возникновением в результате постепенного протекания того или иного процесса повреждения, прогрессивно ухудшающего выходные параметры объекта.

Внезапные отказы возникают в результате сочетания неблагоприятных факторов и случайных внешних воздействий, превышающих возможности объекта к их восприятию. Внезапные отказы характеризуются скачкообразным характером перехода объекта из работоспособно в неработоспособное состояние.

Сложный отказ включает особенности двух предыдущих отказов.

К полным отказам относятся отказы, после которых использование объекта по назначению невозможно (для восстанавливаемых объектов - невозможно до проведения восстановления).

Частичные отказы - отказы, после возникновения которых объект может быть использован по назначению, но с меньшей эффективностью или когда вне допустимых пределов находятся значения не всех, а одного или нескольких выходных параметров.

Независимый отказ - отказ, не обусловленный другими отказами или повреждениями объекта.

Зависимый отказ - отказ, обусловленный другими отказами или повреждениями объекта.

Устойчивые отказы - отказы, которые можно устранить только путем восстановления (ремонта).

Отказы, устраняемые без операций восстановления путем регулирования или саморегулирования, относятся к самоустраняющимся.

Сбой - самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора.

Перемежающийся отказ - многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера.

Явный отказ - отказ, обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению.

Скрытый отказ - отказ, не обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования, но выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностики.

Большинство параметрических отказов относятся к категории скрытых.

Конструктивный отказ - отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и (или) норм проектирования и конструирования.

Производственный отказ - отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта, выполняемого на ремонтном предприятии.

Эксплуатационный отказ - отказ, возникший по причине, связанной с нарушением установленных правил и (или) условий эксплуатации.

Деградационный отказ - отказ, обусловленный естественным процессом старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

Искусственные отказы вызываются преднамеренно, например, с исследовательскими целями, с целью необходимости прекращения функционирования и т.п.

Отказы, происходящие без преднамеренной организации их наступления в результате направленных действий человека (или автоматических устройств), относят к категории естественных отказов.

4. Причины отказов металлических конструкций

1. Пластическая деформация

Пластическая деформация весьма характерна для элементов сварных конструкций, которые, как правило, изготавливают из пластичных сталей. Она возникает в тех случаях, когда материал находится в пластичном состоянии и напряжения в некоторой области конструкции достигают предела текучести. Пластические деформации в небольших объемах не опасны для конструкции. Так, местная текучесть обычно происходит в сварных швах новой сварной конструкции при первых нагружениях. Пластические деформации могут возникать при перегрузках в зонах концентрации напряжений, при местных механических повреждениях тонкостенных элементов, в условиях местного высокотемпературного воздействия и др. В этих случаях нарушения несущей способности конструкции, как правило, не происходит. Однако такие повреждения влекут за собой искажение размеров и формы конструкции, снижение запаса пластичности материала в зоне текучести. При больших перегрузках пластическая зона охватывает значительную часть сечения, что приводит к недопустимым деформациям и потере несущей способности.

Рис. 1. Схема пластической деформации скольжением

я - исходное состояние; б - упругодеформированное состояние; в - упруго- и пластически деформированное состояние; г - состояние после пластической (остаточной) деформации по плоскости АВ; F - усилие

Для защиты от указанного повреждения выполняется проектировочный расчет на прочность, который позволяет выбрать такие размеры и материал конструкции, которые обеспечат невозникновение чрезмерных пластических деформаций при заданном уровне эксплуатационных нагрузок.

2. Хрупкое разрушение

Хрупкое разрушение происходит при нагружении конструкции, если развитие пластических деформаций материала затруднено. Этот вид разрушения заключается в быстром распространении трещины, зародившейся в области максимальных растягивающих напряжений. Факторами, затрудняющими пластическое деформирование и, соответственно, повышающими вероятность хрупкого разрушения, являются низкая температура, высокая скорость

нагружения (ударное нагружение), объемное напряженное состояние с тремя положительными компонентами, которое характерно для зон высокой концентрации напряжений и сварных швов в элементах большой толщины.

Опасность хрупкого разрушения связана с тем, что оно может происходить при напряжениях, меньших предела текучести, и приводить к внезапной потере несущей способности конструкции.

Рис. 2. Схема разрушения путем отрыва

а - исходное состояние; б - упругая деформация; в - хрупкое разрушение (отрыв)

Для предупреждения возникновения хрупких трещин применяют определенные приемы конструирования и выбирают стали, сохраняющие пластичность при наименьшей допустимой эксплуатационной температуре.

3. Усталостное повреждение

Усталостное повреждение постепенно накапливается в процессе циклического нагружения в местах с большой амплитудой изменения напряжений. Процесс усталостного повреждения сначала проходит в скрытой форме, вплоть до образования начальной трещины. При дальнейшем нагружении происходят развитие трещины до критического размера и полное разрушение детали. Наибольшее влияние на развитие усталостного повреждения оказывают амплитуда действующих напряжений, число циклов нагружения и концентрация напряжений.

Этот вид повреждения в большинстве случаев обусловливает долговечность конструкции. Поэтому в основу нормирования режимов работы кранов положена модель развития усталостного повреждения несущей конструкции. Сопротивление усталости обеспечивается путем обоснованного выбора конфигурации и параметров конструкции и качественного изготовления.

Рис. 3. Пример усталостного излома

4. Потеря устойчивости

Потеря устойчивости (общей и местной) представляет собой искажение плоской или прямолинейной формы элемента конструкции под действием сжимающих напряжений, сопровождающееся существенным снижением его жесткости. Потере устойчивости подвержены сжатые стержни ферм, изгибаемые балки незамкнутого сечения и сжатые элементы тонкостенных конструкций. Этот вид отказа происходит при перегрузках, часто внезапно, сопровождается снижением несущей способности элемента, и поэтому может приводить к весьма тяжелым последствиям.

Рис. 4. Схема потери устойчивости конструкции

Для обеспечения устойчивости выполняют проверочный расчет потенциально опасных элементов и, при необходимости, корректируют их размеры или конструкцию.

4. Коррозионное повреждение

Коррозионное повреждение -- явление разрушения поверхности детали в результате химического или электрохимического взаимодействия материала со средой. Коррозия приводит к снижению несущей способности конструкции за счет уменьшения сечения конструктивного элемента и образования трещин при развитии коррозии под напряжением и щелевой коррозии в условиях некоторых агрессивных сред, которые встречаются в промышленной атмосфере, а также способствует ускорению развития усталостного повреждения.

Скорость коррозии стальных конструкций с незащищенной горизонтальной поверхностью составляет в зависимости от условий 0,02-0,20 мм/год с одной поверхности и в особо агрессивных условиях достигает 0,4-0,5 мм/год. Скорость коррозии возрастает в области контакта двух разнородных металлов, обладающих разными электрическими потенциалами (например, сталь и алюминий), в местах действия значительных механических напряжений (в области концентрации напряжений), в местах, где скапливаются грязь и влага. Большую опасность представляет щелевая коррозия, которая происходит в местах постоянного контакта двух элементов конструкции (например, при нарушении герметичности болтовых и заклепочных соединений). При этом продукты коррозии, имеющие больший объем, чем металл, из которого они образовались, распирают стык, что приводит к разрушению болтов и заклепок.

Рис. 5. Коррозийное повреждение трубы

Основным способом защиты несущих конструкций от коррозии является применение защитных лакокрасочных покрытий. Поверхность металла перед покраской должна пройти пескоструйную или дробеструйную очистку. В обоснованных случаях применяют цинковые покрытия. Кроме того, конструкция, предназначенная для работы в условиях агрессивных воздействий, должна быть спроектирована так, чтобы на ней не было карманов и желобов, в которых скапливаются вода, пыль и грязь. Систематизация коррозионных сред и пути защиты от коррозии рассмотрены в работах. Как правило, значительное коррозионное повреждение свидетельствует о низкой культуре эксплуатации машины.

5. Изнашивание

Изнашивание -- процесс постепенного изменения размеров и формы тела в результате удаления частиц материала с его поверхности или его остаточной деформации при трении о другое тело. Износу подвержены шарнирные узлы конструкций, а также рельсы и направляющие, по которым передвигаются колеса кранов и тележек, опорные ролики и др. Этот вид отказа развивается постепенно и при правильном режиме эксплуатации может быть своевременно обнаружен и ликвидирован. Установлены нормы допустимого износа рельсов, направляющих, реборд, при достижении которого эксплуатация этих элементов должна быть прекращена. Снижению скорости развития этого повреждения способствуют термообработка рельсов, повышение точности установки колес, применение боковых направляющих роликов и пр.

По условиям внешнего воздействия на поверхностный слой различают износ:

Абразивный

Абразивный износ вала

Сущность абразивного износа заключается в разрушении металла твердыми зернами абразива при пластическом деформировании и микрорезании трущихся поверхностей. Абразивный износ является ведущим для машин и оборудования горно-рудного производства, строительной, дорожной, почвообрабатывающей техники, инструмента производства кирпича, бетона и других строительных материалов.

Газоабразивный

Вызывается механическим действием твердых частиц, перемещаемых потоком газа. В этом случае разрушение металла происходит в результате срезания, выкрашивания, выбивания и многократного пластического деформирования его поверхностных микрообъемов. Этому виду износа подвержены детали трасс пневмотранспорта, лопатки пылевых вентиляторов и насосов, клапаны, корпусы и чаши загрузочных устройств доменных печей, сопла реактивных двигателей, работающих на твердом топливе и т. д.

Гидроабразивный

Гидроабразивный износ во многом сходен с газоабразивным, но носителем абразивных частиц является не газ, а жидкость. Гидроабразивному износу подвергаются рабочие колеса и улитки земснарядов и песковых насосов, лопасти и камеры гидротурбин, работающие на реках, несущих большое количество абразивных частиц, а также пульпопроводы гидротранспорта.

Кавитационный

Этот вид износа заключается в разрушении поверхности металла под действием ударов газовых пузырьков, образующихся в обтекающем изделии высокоскоростном потоке жидкости при перепадах давления. Кавитации подвержены гребные винты, лопасти и камеры проточного тракта гидротурбин, рабочие колеса и камеры различных гидромашин. Наличие коррозионной среды и абразивных частиц ускоряет процесс кавитационного изнашивания.

Кавитационый износ гребного винта

Этот вид износа заключается в разрушении поверхности металла под действием ударов газовых пузырьков, образующихся в обтекающем изделии высокоскоростном потоке жидкости при перепадах давления. Кавитации подвержены гребные винты, лопасти и камеры проточного тракта гидротурбин, рабочие колеса и камеры различных гидромашин. Наличие коррозионной среды и абразивных частиц ускоряет процесс кавитационного изнашивания.

Адгезионный

Адгезионный износ при трении двух металлических поверхностей под нагрузкой происходит в условиях пластической деформации металла в точках контакта.

Развитие деформации сопровождается сближением поверхностей вплоть до активизации сил сцепления между атомами контактирующих металлов и возникновением адгезии на ограниченных участках. Многократное повторение адгезионных связей с последующим их разрушением и отделением частиц металла составляет сущность адгезионного изнашивания.

Этот вид износа происходит в подшипниках скольжения (коленчатые валы, оси, пальцы ковшевых цепей, ходовые части различных машин).

Тепловой

Тепловым износом называется процесс разрушения поверхностей деталей машин вследствие нагрева зоны трения до температуры размягчения металла. Разрушение при этом виде износа является следствием образования металлических связей: между контактирующими поверхностями, смятия, налипания и оплавления металла. Этот вид износа распространён в деталях тяжело нагруженных быстроходных машин, валки горячей прокатки, ножи для горячей резки проката, штампы для горячей штамповки, прессформы для литья под давлением, прошивной инструмент горячей прокатки труб.

Фреттинговый

Фреттинговый износ -- механический износ тел, пребывающих в контакте, в условиях малых колебательных перемещений.

Достаточны относительные перемещения поверхностей с амплитудой от 0,025 мкм.

Микросмещения соединённых поверхностей происходят вследствие деформаций деталей в условиях нагружения и вибраций, сопровождающих работу машин и оборудования. Фреттинговый износ возникает, например, в заклёпочных, резьбовых, шлицевых, шпоночных и штифтовых соединениях.

Окислительный

Окислительный износ -- процесс коррозионного износа, при котором доминирует химическая реакция с кислородом или окислительной окружающей средой.

Тип износа в результате скольжения между двумя металлическими компонентами, при котором образуется оксидная пленка на металлических поверхностях. Эта оксидная пленка предотвращает металлическое сцепление между поверхностями скольжения, что приводит к формированию продуктов износа и снижению уровня сцепления.

Усталостный

Усталостный износ -- износ вследствие усталостного разрушения поверхностного слоя материала при многократном действии нагрузки, приводящем к зарождению и распространению внутри сильно деформированного слоя трещин, преимущественно параллельных поверхности, которые вызывают отделение в форме тонких чешуек материала.

Усталостный износ характерен для роликов (шариков) в подшипниках качения, железнодорожных колёс и рельсов и т. п. Усталостный износ часто называют контактно-усталостным износом.

6. Чрезмерные упругие деформации

Чрезмерные (по величине или времени затухания) упругие деформации (перемещения) несущих конструкций могут приводить к нарушению работы расположенных на них механизмов, снижению производительности машины, а также оказывать вредное воздействие на самочувствие оператора. Этот вид нарушения работоспособности конструкции, как правило, является результатом ошибки, допущенной на стадии проектирования. Для защиты от него проводят расчет конструкции на жесткость и, при необходимости, увеличивают размеры сечений основных несущих элементов.

Отрицательный прогиб возникает в процессе длительной эксплуатации пролетных строений кранов мостового типа. Это явление связано с релаксацией остаточных напряжений в сварных швах в результате многократных

нагружений балок, усадкой ремонтных сварных швов, выполняемых на верхнем поясе (например, при смене рельсов), ползучестью металла балок при длительном нахождении под нагрузкой и пр. Отрицательный прогиб пролетных

балок нарушает работу тележки на мосту и свидетельствует о снижении запаса пластичности материала балки.

Деградация свойств стали происходит в процессе длительной эксплуатации в составе конструкции. Со временем основные механические характеристики стали (временное сопротивление и предел текучести) практически не изменяются, но снижаются ее пластичность и сопротивление хрупкому разрушению. Это связано с процессами деформационного старения, которые происходят в сварных соединениях и местах пластической деформации металла в процессе гибки, гильотинной резки и пр., а также в зонах механических повреждений, полученных в процессе эксплуатации. Снижение пластичности стали повышает риск хрупкого разрушения при отрицательных температурах.

Для снижения или исключения эффекта деформационного старения используют легирование сталей марганцем и никелем, а также микролегирование нитридо- и карбидообразующими элементами. Современные стали, используемые для несущих конструкций, контролируются на склонность к деформационному старению, но стали, встречающиеся в старых конструкциях, могут быть в значительной степени подвержены старению.

7. Ползучесть металлов

Ползучестью называют явление непрерывной пластической деформации под действием постоянного напряжения в течение определенного времени. Испытания на ползучесть и длительную прочность используют для количественной оценки характеристик жаропрочности металлов и сплавов. Эти испытания обычно проводят по схеме одноосного растяжения.

Различают низкотемпературную (при температуре t₁ < 0,4t_пл) и высокотемпературную (при t₂ > 0,4t_пл) ползучесть.

Для оценки сопротивления материала разрушению при длительном воздействии температуры и напряжения опредеют предел длительной прочности -- условное наибольшее напряжений под действием которого материал при данной температуре paзpyшается через заданный промежуток времени.



Заключение

В данной работе мною было рассмотрено общее понятие отказа.

Изучена классификация отказов, основные характеристики и причины их возникновения.

Отказы металлических конструкций приводят ежегодно к миллиардным убыткам, и решение этой проблемы является важной задачей. Основной ущерб, причиной которого является отказ, заключается не в потере металла как такового, а в огромной стоимости разрушаемых металлических конструкций.

По этому изучение причин возникновения отказов и нахождение способов решения этих проблем является одной из важнейших задач и по сей день.



Библиографический список

1. Надежность технических систем: Справочник. / Ю.К. Беляев, В.А. Богатырев, В.В. Болотин. Под ред. И.А. Ушакова - М.: Радио и связь 1985

. Надежность технических систем. Бобров В.И. Учебное пособие - Москва: МГУП, 2004

. ГОСТ 27.002-89 "Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения"

2. Константинов И. А., Лалин В. В., Лалина И. И. Строительная механика: учеб. М.: Проспект КНОРУС, 2010. 432 с.

3. Соколов С. А. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин: Учеб. пособие. СПб.: Политехника, 2005. 423 с.

Размещено на Allbest.ru

...