В настоящее время существует множество систем диагностики режущего инструмента, основанных на измерении сигнала акустической эмиссии, силы резания, электрических параметров и др., которые позволяют отслеживать состояния режущего инструмента непосредственно в процессе резания [1]. Но, несмотря на все это, проблема повышения надежности, точности, быстродействие, а также простоты технического использования систем диагностики остается актуальной.

Усовершенствование существующих систем диагностики должно быть ориентированно на повышении точности, надежности и технической простоты реализации в условиях автоматизированного производства.

Постановка задачи

В процессе резания рабочие поверхности режущего инструмента поддаются действию различного рода влиянию, как физико-механического, так и химического, что уменьшает работоспособность режущего инструмента, из-за пластической деформации, поломки или размерного износа инструмента. Постепенно нарастающий износ, как по задней, так и по передней поверхности инструмента, приводит к разрушению конструктивных элементов режущего инструмента. В результате, снижается качество и точность механообработки, возрастает процент брака, снижается производительность. Производство стает нецелесообразным и экономически убыточным.

Поэтому крайнее необходимым является использование системы диагностики работоспособности режущего инструмента, непосредственно в процессе резания, что даст возможность своевременно проводить замену режущего инструмента, а также исключит возможность непредвиденного выхода  инструмента из строя.

Система диагностики работоспособности режущего инструмента должна обеспечивать получение более точной информации о состоянии режущего инструмента,  проводить контроль состояния режущего инструмента в режиме реального времени, исключать непредвиденные сбои в своей работе, а также снизить вероятность неправильной оценки работоспособности режущего инструмента и неверных действий системы автоматизированного контроля процесса обработки. Также система диагностики должна иметь возможность использования в условиях автоматизированного производства без особых конструктивных изменений технологически-обрабатывающих систем (ТОС).

Исследования

Процесс резания сопровождается различными физико-химическими явлениями, такими как механические, электрические, тепловые, адгезивные, диффузионные и др., которые возникают в результате взаимодействия инструмента с заготовкой. Все эти явления в своих параметрах, каждый в своей мере, несут отраженную информацию о процессе резании, зная зависимость которых от износа, можно оценить величину износа режущего инструмента, а также его остаточную стойкость.

На основании проведенных экспериментальных исследований, можно сделать вывод, что наиболее информационными параметрами, на основании которых можно с уверенностью судить о состоянии режущего, является акустическая эмиссия и мощность резания [2].

Поэтому, система диагностики работоспособности режущего инструмента должна быть основана на изучении, естественно возникающих при резании, сигнала акустической эмиссии и мощности резания.

Но, все же, преимущественным параметром считается акустическая эмиссия зоны резания, которая возникает вследствие действия доминирующих физико-механических процессов резания  и в полной мере характеризует процессы возникающие при резании [3], поэтому в данной системе, основательная оценка состояния инструмента и корректировка процесса обработки, будет проводится по сигналу акустической эмиссии (АЭ).

Данная система диагностики работоспособности режущего инструмента имеет два контура контроля. Первый контур контроля представляет собой быстрореагирующую подсистему аварийной остановки, которая на основании мощности резания, в случае выхода ее с допустимого предела, производит быструю, но безопасную (без невозвратимых последствий) аварийную остановку. Аварийная остановка может быть вызвана резким повышение силы резания, причиной чего может быть затупление режущего инструмента, наличие в материале заготовки твердых включений или непредвиденное увеличение глубины резания при черновом точении. Также одной из основных причин аварийной остановки может быть поломкой инструмента. Все эти непредвиденные факторы легко отследить и отреагировать на них анализируя изменения мощности резания.

Второй контур представляет собой подсистему оценки и прогнозирования состояния режущего инструмента, что осуществляется  на основании комбинационного параметра АЭ [3], который имеет вид:

,                                                                (1)

где   - мощность акустической эмиссии;  – амплитуда сигнала АЭ;   – активность сигнала АЭ;  – мощность резания.

Значение амплитуды и активность сигнала АЭ определяется анализом измеряемого сигнала акустической эмиссии, а мощность резания рассчитывается по формуле:

, кВт                                   (2)

где  – скорость резания (м/мин);  – глубина резания (мм);  – подача на оборот (мм);  – поправочный коэффициент на величину подачи;  – поправочный коэффициент на главный угол в плане;  – удельная сила резания, зависит от вида и свойств обрабатываемого материала и равна нормальной силе резания при срезании стружки сечением 1 мм² с подачей 0.4 мм/об.

Зная соотношение комбинационного параметра АЭ () и величины износа режущего инструмента проводится анализ степени износа режущего инструмента (), рассчитывается интенсивность износа, а проводится моделирование математической модели износа режущего инструмента, по которой осуществляется прогнозирование износа инструмента. Анализируя степень износа, интенсивность износа и прогнозируемый ранее износ делается вывод о возможности корректировки режимов обработки для снижения износа.

Математическая модель износа режущего инструмента имеет следующий вид:

,                               (3)

где  - имеющийся износ, мм;  – интенсивность износа ();   – поправочный коэффициент по соотношению износа инструмента и комбинационного параметра АЭ, который определяется экспериментально для различных комбинаций материалов «инструмент деталь» и заносится в базу данных.

Расчет прогнозированного износа режущего инструмента осуществляется по следующей формуле:

                               (4)

Общая функциональная блок-схема системы диагностики работоспособности режущего инструмента представлена на рис. 1, а алгоритм функционирования системы диагностики режущего инструмента представлен на рис. 2.

Система диагностики работоспособности режущего инструмента состоит из датчика измерения сигнала акустической эмиссии 1 (рис. 1) сигнал от которого через усилитель 2 и фильтр низких частот 3 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6. Другой диагностический сигнал от датчика измерения мощности резания 4, через усилитель 5, также поступает на вход АЦП. Дальнейшая обработка и анализ измеренных параметров производится с помощью ЕОМ 12, в состав которой входят: блок оценки интенсивности и размера износа 7, где на основании данных о максимальном и минимальном значении мощности резания 8 осуществятся мониторинг аварийного состояния, в случае выхода значения мощности резания из допустимых пределов на исполняющий механизм 15 (блок управления двигателями, блок управления приводом подачи и др.) подаются соответствующие сигналы аварийной остановки. Также в блоке 7 отпрядается интенсивность и значение износа режущего инструмента, при котором используется поправочный коэффициент  , который находятся в БД 9. При оценке износа инструменте учитывается режимы работы ТОС, которые передаются в блок 7 от блока ЧПУ 13, который управляет процессом обработки на основании управляющей программы 14. После определения износа, данные, о нем, передаются на блок 10, где происходит моделирование процесса обработки, с помощью которого вычисляется остаточная стойкость инструмента, а также проводится прогнозирование износа инструмента, на основании данных полученных от ЧПУ. В блоке 11 формируются управляющие, коррекционные сигналы по изменению режимов обработки, которые поступают на блок ЧПУ. В случае, когда коррекция процесса обработки невозможна, осуществляется остановка процесса обработки или замена режущего инструмента. В блоке ЧПУ, на основании управляющих сигналов от блока 11, вносятся изменения в команды управления, которые поступают на исполняющие механизмы 15.

Рис. 1. Блок-схема системы диагностики работоспособности режущего инструмента в условиях автоматизированного производства

Рис. 2. Алгоритм функционирования системы диагностики работоспособности режущего инструмента

Выводы:

Представлена система диагностики работоспособности режущего инструмента, которая базируется на изменении сигнала акустической эмиссии и мощности резании, дает возможность проводить более эффективный контроль износа и поломки режущего инструмента, повышает надежность и точность, как процесса механообработки, так и технологической-обрабатываемой системы в целом, позволяет уменьшить количество бракованных деталей, что и требует в настоящее время автоматизированное производство.

В дальнейшем развитием, на основании данной системы, может быть разработана система автоматизированного контроля состояния всех узлов ТОС и процесса обработки в целом, что даст возможность, не только абсолютно исключить непредвиденные поломки обрабатывающих систем, повысить точность и надежность ТОС, но и повысить качество и надежность выходной продукции.

В современном приборостроении значительное внимание уделяют проблеме управления процессом резания производящихся деталей. От успешного решения этой проблемы, зависит много факторов в экономической и технологической жизни приборостроительных предприятий.

Доля отказов режущего инструмента, зависимо от условий эксплуатации, может доходить до 63% от общего числа нарушений работоспособности станков с числовым программным управлением (ЧПУ). А потери времени на выявление и ликвидацию отказов режущего инструмента составляет в среднем 10% общего времени работы станков. При этом отказ инструмента на одной позиции часто обусловливает выход из строя инструментов на следующих операциях и в большинстве случаев есть основной причиной брака продукции и отказов узлов станка [1].

Для предотвращения внезапных поломок инструмента, а также для стабилизации его износа была разработана система адаптивного управления по двум параметрам: электро-движущей силе (ЭДС) резания и силе резания.

Постановка задачи

При обработке детали резанием на инструмент воздействуют факторы различной природы: механическая нагрузка, электрические токи, вибрации, химические воздействия, упругие деформации ТОС, наростообразование. Все это приводит к интенсивному износу конструктивных элементов резца и, даже, к его поломке. Что ведет к снижению точности, качества, продуктивности или к появлению брака, что несет за собой экономические убытки и большую себестоимость обрабатываемых деталей [2].

Следовательно, для улучшения параметров качества, точности, себестоимости обрабатываемых деталей стоит использовать систему адаптивного управления режущим инструментом, непосредственно в процессе обработки, что даст возможность выявлять момент предшествующий поломке инструмента, для своевременной его замены.

Система адаптивного управления процессом резания должна обладать высокой точностью информации о зоне резания и состоянии инструмента, в реальном времени отслеживать степень износа, ЭДС пары инструмент-деталь, и силе, действующей на инструмент. Система должна работать стабильно, а также с низкой вероятностью ложной оценки состояния режущего инструмента и сбоев в системе автоматизированного контроля процесса обработки детали. Реализация данной системы должна быть таковой, чтоб ее можно было применить без особых конструктивных изменений приводов станка и технологической обрабатывающей системы (ТОС) [3].

Исследования

 Процесс механообработки (ПМО) сопровождается разного рода явлениями: электрическими, адгезивными, механическими, тепловыми, диффузионными и т.д., возникновение которых вызвано взаимодействием резца с заготовкой. Эти явления в большей или меньшей степени характеризуют процесс износа инструмента, и своими величинами косвенно указывают на износ и остаточную стойкость инструмента [4].

Согласно проведенным исследованиям, наиболее подходящим по информационным параметрам, на основе которых можно судить о состоянии обрабатывающего инструмента, есть ЭДС резания и сила резания.

Исходя из этого, система адаптивного управления процессом резания основана на измерении возникающих ЭДС резания и силы резания, которые возникают в процессе обработки естественным образом.

Основным параметром для контроля  является ЭДС резания, что возникает вследствии повышения температуры в зоне резания, так как увеличение ЭДС свидетельствует об увеличении контакта инструмент-деталь (КИД), что в свою очередь говорит об увеличении износа инструмента.

Система адаптивного управления процессом обработки деталей имеет 2 контура контроля. Первый контур контроля является подсистемой быстрого аварийного отключения приводов станка, которая в случае превышения допустимой силы резания посылает команду на безопасный отвод резца из зоны резания и отключение приводов станка. Причиной резкого возрастания силы резания может быть предельный износ инструмента, наличие твердых включений в заготовке, или внезапное увеличение глубины резания при черновой обработке. Также причиной аварийной остановки может быть поломка инструмента. Все эти негативные воздействия с легкостью определяются и последствия их предотвращаются данной подсистемой, которая анализирует силу резания.

Второй контур является подсистемой оценки и прогнозирования износа инструмента на основе сигналов ЭДС резания. В процессе обработки измеряют сигналы термоэдс, и ЭДС упругих перемещений технологической системы, отделяют переменные и постоянные составляющие этих сигналов, при этом по постоянных составляющих формируют управляющие команды на смену режимов резания, а переменные превращают во взаимно коррелирующие функции и считывают величины этих функций, на основе которых формируют корректирующие команды на смену режимов резания и управляют приводами станка.

Переменные составляющие сигналов несут полную информацию о процессах, которые происходят в зоне резания. Возникновение и срыв нароста при резании, различные изменения в пленках, образующихся на поверхностях трения, неоднородность обрабатываемого материала, непосредственное охлаждение зоны резания в результате отдельных актов проникновения среды является одной из причин, определяющих колебания термоэдс пары КИД [5].

Преобразование переменных составляющих сигналов во взаимно корреляционные функции является сворачиваним сигналов, выделенных из датчиков в начальный момент, например x(t), с текущими сигналами, например, y(t), согласно выражению (1):

  ,                                                                           (1)

где e – свертывание сигналов x и y, t – временное смещение сигналов x и y,  - параметрическая переменная свертывания сигналов.

Это позволяет с высокой степенью быстродействия по нескольким параметрам более точно контролировать процесс резания, оценивать отклонения от нормального функционирования, а также по этим отклонениям формировать корректирующие команды на управление режимами резания, например, стабилизируя величину скорости износа инструмента путем изменения режимов резания, дает возможность наиболее полно использовать возможности адаптивного управления процессом резания.

На рисунке (рис. 1) показана блок – схема устройства, реализующего предложеную систему адаптивного управления.

В соответствии с предлагаемой системой в процессе обработки измеряют сигналы термоэдс, и ЭДС упругих перемещений технологической системы с помощью датчиков 1, отделяют постоянные и переменные составляющие сигналов, измеряемых в блоке 2, который может быть выполнено в виде электронного фильтра. Постоянные составляющие подают в блок управления 3, где формируют управляющие команды на изменение режимов резания, а переменные с помощью преобразователя 4, который может быть выполнен в виде когерентного оптического процессора, превращают во взаимокоррелирующие функции, которые считываются в устройстве 5, а затем подают в блок коррекции 6, которым формируют корректирующие команды на смену режимов резания. Команда корректировки на изменение режимов резания попадает в блок управления 3, где создаются команды управления приводами станка.

Рисунок 1. Блок-схема системы адаптивного управления процессом обработки деталей на станках с ЧПУ

Рисунок 2. Алгоритм функционирования системы адаптивного управления процессом обработки деталей на станках с ЧПУ

Выводы:

Использование предлагаемого способа позволяет с высокой степенью точности по ряду параметров получить более точную информацию о скорости износа режущего инструмента в процессе обработки и тем самым наиболее полно использовать инструмент по его свойствам устойчивости, что в конечном итоге позволяет повысить производительность обработки деталей на станках с ЧПУ и снизить себестоимость обрабатываемых деталей.

Быстрое увеличение объемов и темпов производства предъявляет высокие требования к средствам контроля процесса обработки, локализации и устранения неисправностей, а как следствие – повышение качества.

Потеря режущей способности инструмента, то есть его износ, является основной причиной брака продукции и в большинстве случаев – отказ основных узлов станка. Работа чрезмерно изношенным режущим инструментом может привести к потере дорогого инструментального материала. Поэтому своевременный контроль состояния инструмента, а также коррекция производственного процесса в режиме реального времени просто необходимы.[1]

В настоящее время существует достаточно много методов контроля режущего инструмента. Некоторые из них являются устаревшими, некоторые – трудно реализовать, а некоторые требуют совершенствования с целью повышения их скорости и надежности.

Если проанализировать все существующие методы контроля, можно прийти к выводу, что для достижения более точной работы, система диагностики режущего инструмента должна базироваться на измерении и анализе двух и более параметров процесса резания, а именно мощности резания и переменной составляющей ЭДС резанья.

В результате изменения крутящего момента на валу двигателя в результате изменения состояния режущего инструмента меняется его потребляемая мощность. Поэтому регистрация колебания из сети потребляемой мощности приводными электродвигателями может служить параметром, по которому можно оценить износ режущего инструмента.

Такой метод является одним из самых простых для контроля состояния режущего инструмента при резаньи. К преимуществам такого способа контроля можно отнести его простоту, невысокую стоимость, доступность информативного параметра, отсутствие существенной модернизации оборудования.

Рассматриваемый метод может беспрепятственно использоваться в условиях автоматизированного производства, но по сравнению с выше рассмотренными методами имеет низкую достоверность данных о состоянии режущего инструмента на основе которых трудно точно оценить величину износа.

В процессе обработки станок выполняет определенную работу. В зависимости от его мощности, выполняемая работа может быть выполнена за разное время. Мощность станка характеризуется работой, которую он выполняет за одну секунду.

Мощность в общем случае равна мощности технологического процесса, для выполнения которого и создается повод. Потребляемая мощность электродвигателя определяется по формуле:

 (1.1)или, (1.2)

где P – механическая полезная мощность на валу (указана на электродвигателе);

η - коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя;

f - угол между активной и полной мощности (Рис. 1.1);

U – напряжение источника питания, В;

I – сила тока, А;

Pa – активная мощность, кВт;

Q – реактивная мощность, ВА.

Рисунок 1.1 – Векторное представление мощностей электродвигателя

Активную мощность электродвигателя можно рассчитать по формуле:

 (1.3)или (1.4)

В то время реактивная мощность рассчитывается по формуле:

 (1.5), [2]

При проведении обработки происходит изменение нагрузки на привод станка может быть вызвано изменением режимов резания, износом режущего инструмента, поломкой станок, и тому подобное. Изменение нагрузки можно легко отслеживать по изменению активной мощности электродвигателя измеряя приложенное напряжение (U) и силу тока (I), проходящего через двигатель в определенный момент обработки.

Данный метод позволяет получить информацию из зоны резания о состоянии режущего инструмента непосредственно путем измерения ЭДС резания что генерируется в зоне скользящего контакта инструмента с обрабатываемой деталью.

Данный метод является наиболее распространенным в производстве и наиболее теоретически обоснованным.

Метод контроля состояния режущего инструмента на основе измерении ЭДС резанья позволяет очень точно оценивать состояние инструмента и может быть использован в условиях автоматизированного производства. Но несмотря на это все у данного метода есть один весомый недостаток, а именно невозможность использования при обработке неметаллических материалов.

ЭДС резания можно выразить формулой, полученной на основе экспериментов (1.6)

 (1.6)

где U – контактная разность потенциалов, B,

d – средний диаметр пятна контакта инструмента с деталью, мм,

to - постоянная стружкообразования, c.

Наиболее мощный источник электричества локализовано на задней поверхности инструмента, так как Электрическая проводимость на задней поверхности выше по сравнению с проводимостью на передней поверхности. Поэтому, электрическое напряжение, что фиксируется измерительным прибором, представляет собой в основном электрическое напряжение, возникающее на задней поверхности режущего инструмента при резке.

Исследования Зорева Н. Н. и Полетики М.Ф. показывают, что на задней поверхности инструмента присутствует упруго-пластический контакт, возникает в результате волны упругого восстановления. Принимая форму контакта инструмента с деталью в виде сферы, получим c1 = 3. Подставляя величину Sr с в, а также учитывая, что

 (1.7)

где f – частота контакта микровыступов инструмента с деталью, можно выразить величину износа режущего инструмента по задней поверхности в следующем виде (1.8)

_, (1.8), [3]

Система контроля износа режущего инструмента (рис.1.2) состоит из датчика измерения ЭДС 1, сигнал от которого через усилитель 2 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 5. На этот же АЦП через усилитель 4 поступает сигнал от датчика мощности 3. Далее сигнал поступает на блок сравнения 6. Этот блок, с учетом корректирующих параметров, что содержаться в базе данных 9 передает информацию об отклонениях от нормы на блок принятия решений 7. Данный блок передает сигнал корректировки на исполнительный механизм, который меняет значения скорости вращения шпинделя и подачи в процентном соотношении. В случае невозможности дальнейшей корректировки, исполнительный механизм включает аварийный останов, что повлечет за собой вызов оператора и смену инструмента.

Рис 1.2 – Структурная схема системы контроля износа режущего инструмента

Средневзвешенный износ экскаваторного парка по сроку службы, эксплуатируемого на железорудных карьерах РФ, превышает 1,1÷2,5 раза. Значительный износ имеют экскаваторы ЭКГ-8И, который составляет 85-100%, как и у экскаваторов ЭКГ-5 (5А) [1, 2].

В последнее время наблюдается увеличение случаев разрушения элементов металлоконструкций экскаваторов, влекущих длительные простои и необходимость проведения долгосрочного ремонта техники.

Основными причинами отказов рукояти экскаваторов с зубчато-реечным напором типа ЭКГ являются: динамические нагрузки, превышающие допустимый уровень; форма конструкции, приводящая к высокой концентрации напряжений; последствия ремонтных воздействий; относительно низкая квалификация машинистов.

Значительное число отказов металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А приходится на отказ рукояти – 27 % (рис. 1) [1].

Рис. 1. Структура отказов металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А

Оценка влияния квалификации машинистов на надежность рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А подробно рассмотрена в работе [1] обработаны данные хронометражных наблюдений за работой экскаваторов типа ЭКГ-5А при экскавации горной массы в конкретных условиях эксплуатации (рис. 2.).

Рис. 2. Распределение отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А

В работах [1, 2, 4, 5], в ходе проведенных исследований установлено, что наибольшее количество отказов связано с проявлением пиковых нагрузок вследствие низкой квалификации машинистов (табл. 1).

Таблица 1. Результаты исследований

Необходимо также отметить, что в настоящее время методика, позволяющая, продлевать срок безаварийной эксплуатации  экскаваторов или управлять их долговечностью при разработке взорванных горных пород отсутствует. Существуют лишь методы расчета статической, динамической и усталостной прочности металлоконструкций экскаваторов, которые используются на стадии их проектирования. За основу в этих расчетах принимается положение о нормативных нагрузках значительно отличающихся от фактических, действующих на оборудование [3].

Для наиболее точных расчетов и решении задач прогнозирования ресурса металлоконструкций экскаваторов, разработана компьютерная программа, в которой в полной мере учтено: влияние  квалификации машинистов, характеристики горных пород и подготовленность горной массы к экскавации; характер формирования нагрузок во времени (рис. 3).

Функциональные возможности разработанного программного продукта позволяют: выбирать тип экскаватора; учитывать стаж работа машинистов по специальности; характеристики горной массы при экскавации в ковше; емкость ковша; сечение балки рукояти.

Рис. 3. Интерфейс программы

Таким образом, полученные данные позволяет определить режимы эксплуатации экскаватора, при которых будет достигаться максимальная долговечность конструкции рукояти.

Рисунок 1. Зависимость максимального усилия Р_max от угла б установки отвала автогрейдера в плане для грунтов I (1), II (2) и III (3) категорий

Проаппроксимируем, получим:
,
где  – коэффициенты (см. Таблицу 1), полученные при аппроксимации .

Таблица 1 - Значения коэффициентов  A, B,C и D 

Категория грунта
I	250	1,2	5	-10
II	305	1,25	10	20
III	380	1,4	12	50

Проанализируем первые 700 ч эксплуатации ножа в грунте различных категорий. Зависимость износа ножа автогрейдера может быть представлена в виде (рис. 2). В уравнении были использованы статистические данные, полученные во время эксплуатации земельно-транспортной машины. Было принято, что показатель в = 1/2, = 0.
Зависимость(рис. 2) свидетельствует о том, что на первых 50–100 ч работы износ ножа происходит интенсивно и линейно, затем он постепенно стабилизируется, а после 500–600 ч увеличивается. Скорость изнашивания ножа автогрейдера для разных категорий грунта может быть определена как  = d/dt.
В уравнении (1) первый множитель, касающийся вероятности безотказной работы ножа и зависящий от максимальной нагрузки, изменен следующим образом: 
, (2)
где ; – стандарт процесса, величина которого определяется как среднеквадратическое отклонение случайного изменения нагрузки . 
На рис. 3 приведены зависимости вероятности () безотказной работы ножа автогрейдера от времени  его эксплуатации в абразивной среде для грунтов, полученные на основании нормального закона распределения (2). Зависимость рис. 3 свидетельствует о снижении уровня вероятности безотказной работы ножа  в процессе эксплуатации рабочего оборудования автогрейдера. В результате аппроксимации зависимости вероятности от времени работы ножа в абразивной среде  (рис. 3) получена зависимость
,
где z = 2,4; 2,13; 2,0 – для грунтов I, II и III категорий соответственно.
Математическая модель суммарной вероятности (1) позволяет получить теоретическое описание изменения вероятности безотказной работы рабочего оборудования автогрейдера в процессе выполнения рабочих операций и описать изменение ресурса ножа. 
Рассмотрим вероятность безотказной работы как функцию, в которой каждый аргумент зависит от переменных другой вероятности.Тогда суммарная вероятность безотказной работы ножа автогрейдера
, (3)

Рисунок 2. Зависимость величины износа  от наработки для грунтов I (1), II (2) и III (3) категорий

Рисунок 3. Зависимость вероятности безотказной работы ножа автогрейдера  от времени его работы в абразивной среде для грунтов I (1), II (2) и III (3) категорий

где – функция Лапласа; 
 – несущая способность при усталостномнагружении;  – действующая нагрузка на режущую кромку ножа;  – математическое ожидание (среднее значение) предела разности несущей способности ножа автогрейдера и максимальной нагрузки; D() – среднеквадратическое отклонение предела разности несущей способности и максимальной нагрузки. В зависимости  рассмотрим случай предельного износа. В формулу износа вместо  подставим значение предельного износа носа  и решим получившееся уравнение относительно  при . Тогда выражение для определения ресурса ножа будет иметь следующий вид:
.
Получена зависимость суммарной вероятности безотказной работы рабочего оборудования от вероятностей  и , построенная с использованием выражения (1). Аппроксимируя зависимость  получим суммарную вероятность безотказной работы рабочего оборудования:
.
Таким образом, получена зависимость вероятности безотказной работы ножа, в которую вошли параметры износа, динамическая и знакопеременная нагрузки (см. рис. 4). Уравнение регрессии действительно только в пределах тех опытных данных (величины износа), на основании которых оно получено. Для увеличения применения уравнения его необходимо строить на основе данных по современным моделям объектов одного функционального назначения. 
Зная суммарную вероятность безотказной работы, можно определить ресурс ножа автогрейдера. Для этого необходимо решить уравнение (3) относительно величины . При этом функция Лапласа вычисляется с помощью специальной таблицы. Уравнение (3) невозможно решить аналитически. Поэтому, используя операторы , решим это уравнение для суммарной вероятности.

Рисунок 4. Зависимость ресурса ножа  от времени его работы в абразивной среде для грунтов I (1), II (2) и III (3) категорий

Учитывая нелинейность изменения износа режущего инструмента от времени работы в абразивной среде при выполнении рабочих операций (см. рис. 2), получим ресурс работы ножа рабочего оборудования автогрейдера как функцию (рис. 4 для грунтов трёх категорий. Аппроксимируя последнюю зависимость, получим ресурс работы ножа рабочего оборудования автогрейдера в абразивной среде:
, (4)
где  – коэффициент, равный 447, 340 и 260 для грунтов I, II и III категорий соответственно.
Полученное уравнение не противоречит классу решений уравнения (3) для суммарной вероятности безотказной работы ножа рабочего оборудования автогрейдера. Из выражения (4) следует, что чем ниже категория грунта, тем выше ресурс ножа, работающего в этом грунте. 
Предложенное уравнение регрессии позволяет оценить степень влияния износа ножа грейдерного отвала на его ресурс в зависимости от категории грунта. Закономерность изменения ресурса от износа ножа рабочего оборудования автогрейдера носит экспоненциальный характер. Чем выше категория грунта, тем значительнее износ режущего инструмента отвала, а следовательно, меньше его ресурс.

Особенно к трудоемким при изготовлении относятся детали с малой жесткостью, в частности нежесткие валы, у которых отношение длины к диаметру превышает 12.

В процессе эксплуатации детали вал возможен сценарий возникновения повреждений из-за коррозии, ударов или дефектов металла. Таким образом, усталостное разрушение является основной причиной разрушения деталей такого типа [1].

Технология пластического деформирования (ППД) предотвращает образование трещин, замедляет их распространение, повышает коррозионную стойкость и даже улучшает износостойкость [2]. Классификация методов ППД продемонстрирована на рисунке 1.

Из всех методов обработки поверхности особенно привлекательным является подход, использующий энергию ультразвуковых колебаний [4], которое позволить повысить микротвердость поверхностного слоя до 475HV, повысить износостойкость в 1,5 раза, уменьшить шероховатость до 0,16 мкм.

Рисунок 1. Классификация способов ППД [3]

При работе детали «Вал» в условиях трения все более популярным становится применение технологии лазерного упрочнения. Развитие различных технологий упрочнения создало новые возможности для локального формирования областей с уникальными свойствами в материалах и улучшения качества всего продукта. В работе [5] представлен обзор влияния нанесения покрытий различных составов на свойства деталей из конструкционной стали. В качестве наиболее оптимального было выбрано покрытие Ni60-Ti-B4C, которое показало наибольшую микротверлость (в 7 раз выше по сравнению с исходной сталью) и минимальный износ.