Обобщенные объекты исследования надежности

ВВЕДЕНИЕ

Надежность представляет собой комплексное свойство, обеспечивае­мое и поддерживаемое на всех этапах жизненного цикла машины. Поэтому необходимы знания как о теоретических основах науки о надежности, так и о практических методах расчета и конструирования агрегатов и узлов с учетом требований надежности. При этом необходимо иметь представле­ние о методах технологического обеспечения надежности машин при их изготовлении и о мероприятиях по поддержанию их надежности в процес­се эксплуатации.

Материал в учебном пособии содержит основные понятия, свойства и физические основы надежности. Рассмотрены вопросы, связанные с про­гнозированием и обеспечением надежности машин. Проанализированы методы структурного анализа надежности сложных систем по показателям безотказности и дано понятие о надежности технологических систем.

Учебный материал разделен на учебные блоки-модули с тестовыми заданиями, по которым может проводиться как самопроверка знаний, так и объективный контроль за их усвоением. Практические вопросы рассмот­рены на конкретных примерах.

Все это способствует изучению дисциплины «Надежность машин и оборудования» студентами специальности 150405 «Машины и оборудова­ние лесного комплекса» и дисциплины «Основы работоспособности тех­нических систем» студентами специальности 190603 «Сервис транспорт­ных и технологических машин и оборудования».

Глава 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Обобщенные объекты исследования надежности

В соответствии с государственным стандартом (ГОСТ 27.002-89) по­нятие «надежность» определяется применительно к техническим объектам. Под объектом понимается предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый в период проектирования, производства, эксплуатации, исследований и испытаний на надежность. При изучении надежности тех­нических устройств рассматриваются самые разнообразные объекты - ма­шины, сооружения, аппаратура и др. В зависимости от задачи объектом может быть отдельная деталь, кинематическая пара, узел, агрегат, машина в целом или система машин.

Большинство машин и оборудования являются сложными системами, состоящими из отдельных деталей, узлов, агрегатов, систем управления и т. п.

Под сложной системой понимается объект, предназначенный для вы­полнения заданных функций, который может быть расчленен на элементы, каждый из которых также выполняет определенные функции и находится во взаимодействии с другими элементами системы.

Понятие сложной системы условно. Оно может применяться к отдель­ным узлам и механизмам (шпиндельный узел, двигатель, коробка переме­ны передач, система смазки, охлаждения, подачи топлива к двигателю), к машинам (дереворежущий станок, трелевочный трактор) и к системе ма­шин (лесопильный цех, нижний склад, линия сортировки и пакетирования пиломатериалов).

Анализ надежности сложной системы связан с изучением ее структу­ры. Важную роль при этом играет выделение элементов, составляющих данную систему. При анализе надежности сложных систем их разбивают на элементы с тем, чтобы в начале рассмотреть параметры и характеристи­ки элементов, а затем оценить работоспособность всей системы.

Под элементом понимается составная часть сложной системы, кото­рая может характеризоваться самостоятельными входными и выходными параметрами. Теоретически любую машину можно условно разделить на сколь угодно большое число элементов, понимая под элементом узел, аг­регат, деталь или часть деталей.

Элемент обладает следующими особенностями:

1) он выделяется в зависимости от поставленной задачи, может быть достаточно сложным и состоять из отдельных деталей и узлов;

2) при исследовании надежности системы элемент не расчленяется на составные части, показатели надежности относятся к элементу в целом;

3) возможно восстановление работоспособности элемента независимо от других частей и элементов системы.

Расчленение сложной системы на элементы условно. Например, при рассмотрении надежности автоматической линии элементами могут быть отдельные станки, транспортные и загрузочные устройства, системы управления и другие достаточно сложные объекты. Однако и каждый ста­нок представляет собой весьма сложную систему и при необходимости оценки его надежности может быть расчленен на отдельные элементы -шпиндельный узел, привод подачи, механизм базирования и др. В то же время надежность шпинделя (вала) зависит от жесткости его тела, износо­стойкости шеек, посадочных поверхностей и т. д. Таким образом, каждый элемент системы можно рассматривать как совокупность более простых элементов.

При анализе надежности сложной системы все элементы целесообраз­но разделить на следующие группы:

1) элементы, отказ которых практически не влияет на работоспособ­ность машины (деформация кожуха ограждения, повреждение окраски ка­бины и т.п.);

2) элементы, работоспособность которых за рассматриваемый проме­жуток времени практически не изменяется (элементы высокой надежно­сти: станина, несущая рама, корпусные детали, малонагруженные элемен­ты и т.п.);

3) элементы, ремонт или регулировка которых возможны при работе машины или во время регламентированных остановок (подналадка инст­румента, регулировка гидравлической системы и т. п.);

4) элементы, отказ которых приводит к отказам машины.

С позиций надежности могут иметь место следующие структуры сис­темы:

1) расчлененные, у которых надежность отдельных элементов может быть заранее определена, так как отказ элемента можно рассматривать как независимое событие;

2) связанные, у которых отказ элементов является зависимым событи­ем, связанным с изменением выходных параметров всей системы;

3) комбинированные, состоящие из подсистем со связанной структу­рой и с независимым формированием показателей надежности для каждой из подсистем.

Тестовые задания

1. Объектом исследования надежности может быть:

1) только узел или агрегат;

2)узел, агрегат, машина в целом или система машин;

3)только машина в целом;

4)только система машин.

2. Под сложной системой понимается:

1)только отдельный узел или механизм;

2)только машина;

3)отдельный узел и механизм, машина и система машин;

4)только система машин.

1.2. Основные состояния, характеризующие надежность

Надежность характеризуется следующими основными состояниями и событиями.

1. Работоспособное - это состояние объекта, при котором он спосо­
бен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных парамет­
ров в пределах, установленных нормативно-технической документацией.

Техническая документация определяет допустимый уровень внешних воздействий, методы технического обслуживания и ремонта, нормы и до­пустимые отклонения от установленных параметров. Работоспособность объекта связана не только со «способностью работать», т. е. выполнять не­обходимые функции, но и с тем, чтобы при этом выходные параметры объекта находились в допустимых пределах. Работоспособность не касает­ся требований, непосредственно не влияющих на эксплуатационные пока­затели, например, повреждение окраски и т. п.

2. Неработоспособное - это состояние объекта, при котором хотя бы один из основных параметров, установленных в технической документа­ции, вышел за пределы установленных нормативов.

3. Исправное - это состояние объекта, при котором он удовлетворяет всем не только основным, но и вспомогательным требованиям техниче­ской документации.

4. Неисправное - это состояние объекта, при котором он не удовлетво­ряет хотя бы одному из требований технической документации.

Переход из одного состояния в другое происходит в результате слу­чайных событий. При этом различают повреждение, отказ и сбой.

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

Например, для трелевочного трактора повреждениями могут быть не­значительные вмятины или погнутость облицовки, поручней, нарушение лакокрасочного покрытия, незначительные подтекания масла и т.д.

Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного со­стояния объекта.

Например, значительные вмятины и погнутость ограждений, поруч­ней, ограничивающих маневр машины или затрудняющих посадку опера­тора в кабину, будут соответствовать уже неработоспособному состоянию машины. Такое состояние наступает и в случаях нарушения герметичности гидросистемы, появления трещин в элементах конструкции технологиче­ского оборудования, падения давления масла или стука двигателя и т.д.

Сбой - самоустраняющийся отказ.

Например, соринка в карбюраторе, контакты в электрической цепи.

В процессе эксплуатации любого вида техники наступает момент, ко­гда применение всей совокупности мероприятий по поддержанию и вос­становлению исправного состояния не даст должного эффекта. Этот мо­мент соответствует предельному состоянию машины.

5. Предельное — это состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо вос­становление его исправного или работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Ввиду разной надежности составных частей лесных машин понятие «предельное состояние» рассматривается применительно к отдельным ее частям (агрегатам, системам, деталям).

Под агрегатом понимается сложная сборочная единица, обладающая свойствами полной взаимозаменяемости, независимой сборки и самостоя­тельного выполнения определенной функции (редуктор, коробка передач, гидромотор и т.д.).

Под системой понимается совокупность деталей, агрегатов, сбороч­ных единиц, объединенных общностью выполняемых ими функций, необ­ходимых для использования машины по назначению, например: гидросис­тема, ходовая система, манипулятор и т.д.

Деталью называется составная часть изделия, изготовленная из одно­родного материала без применения сборочных операций.

Предельное состояние машины чаще всего связывается с неустрани­мым отказом базовых ее частей.

Базовой составной частью (деталью, сборочной единицей) машины называется основная часть изделия (машины, агрегата или системы), пред­назначенная для компоновки и установки других составных частей (картер двигателя, корпус коробки передач, рама трактора и т.д.). Например:

1) для трелевочных тракторов предельное состояние связывается с ра­мой или трансмиссией;

2) в свою очередь предельное состояние трансмиссии считается дос­тигнутым, если в таком состоянии находятся два агрегата из следующих: коробка передач, главная передача, бортовая передача;

3) у двигателя критериями предельного состояния являются:

- неустранимые отказы блока цилиндров;

- предельный износ шеек коленчатого вала или усталостные трещины на нем;

- предельный износ комплекса деталей цилиндропоршневой группы;

4) предельное состояние бесчокерного технологического оборудова­ния определяется по состоянию двух сборочных единиц из следующих: опорный узел (база, основание), манипулятор (стрела, рукоять, захват, по­воротная колонна);

5) предельное состояние гидросистемы считается достигнутым, если в предельном состоянии находится не менее 50% основных агрегатов.

Таким образом, функционирование любой машины может быть пред­ставлено в виде случайного процесса с дискретными состояниями (рису­нок 1.1). При этом переход из одного состояния в другое происходит в ре­зультате случайных событий: повреждений или отказов, а также событий, направленных на восстановления исправного состояния: профилактика, различные виды ремонта.

Рисунок 1.1 -Переход из одного состояния надежности в другое