2018-03-09
1125
Безотказность работы машин и другой техники обеспечивается специальными методами на всех этапах жизненного цикла изделия. Существует значительное количество разнообразных способов повышения безотказности техники. Поэтому практическая задача заключается в рациональном подборе и осуществлении оптимальных способов и средств повышения надежности с учетом как их технических, так и экономических показателей.
Известно, что уже при проектировании и конструировании закладывается та или иная безотказность изделия. При этом конструктор осуществляет расчеты характеристик безотказности для прогнозирования работоспособности и обоснования предполагаемого к изготовлению варианта изделия, для выбора комплектующих технических средств, для осуществления способов резервирования элементов с недостаточной надежностью и т.д.
Многочисленные характеристики безотказности сложных технических систем, какими являются, например, машины, обычно определяются поэлементно, а потом уже синтезируются в итоговый результат.
Для определения характеристик безотказности работы элементов машины, т.е. ее деталей. Все детали машин разделяют на три группы: детали тяжело нагруженные и изнашивающиеся (группа А). детали основные (группа Б) и детали вспомогательные (группа В).
К деталям группы А относятся те детали, рабочая функция которых состоит в передачи мощности или в том, чтобы служить опорами для движущихся нагруженных деталей. Их называют также активными. Эти детали в процессе работы машин подвергаются износу. Вследствие износа происходит измерение размеров и формы, качества рабочих поверхностей. К деталям этой группы можно отнести различные подшипники, детали зубчатых, червячных и фрикционных передач, валы, оси, детали механизмов движения и т.п.
Детали группы Б обеспечивают правильное расположение деталей первой группы и их взаимодействие. Эти детали могут быть названы также основными или опорными. К деталям этой группы относятся станины, фундаментальные рамы, блоки цилиндров, кронштейны, стойки и т.д.
К деталям группы В относятся различные детали вспомогательного назначения, служащие для управления машиной и обеспечения нормальной работы деталей первых двух групп.
Безотказность технических изделий зависит от правильного выбора материала для отдельных ее деталей. Назначение материала для деталей машин зависит от ряда факторов, а именно: от величины и характера силовых нагрузок, от химической активности среды, в которой работают детали, от рода и вида трения поверхностей сопряжено работающих деталей. При этом приходится учитывать особенности каждого из рассматриваемых материалов, в частности: изменение физико – математических свойств при работе в условиях низких или высоких температур; усталость и ползучесть (деформируемость при эксплуатации); старение материала и многое другое. При выборе материала существенное значение имеют его технологичность обработки и стоимость, так как достижение необходимой надежности не должно обходиться слишком дорого.
Конструкция изделия, например машины, должна быть по возможности наиболее простой, т.е. она должна состоять из наименьшего количества деталей. Это повышает безотказность машины. Конструкция машины должна быть также технологичной для сборки и разработки. Она должна обеспечивать доступ к отдельным ее элементам для наблюдений за их работой ми для обслуживания (смазка, регулировка, замена, ремонт). Технологичность конструкции способствует повышению качества сборки, влияние на характеристики надежности работы машины.
На этапе проектирования и конструирования часто решается вопрос необходимости использования метода резервирования машины. Резервированием называют эффективный способ повышения безотказности путем параллельного включения в систему машины резервных (дополнительных) элементов, способных в случае отказа основного элемента выполнять его функции.
В общем случае надежность так называемой неизбыточной системы машины, т.е. системы, для исправной работы которой необходима исправность всех входящих в нее элементов, определяется как произведение вероятностей безотказной работы всех элементов системы. Конструкция такой технической системы состоит из последовательного соединения элементов (рис.10.5), поэтому вероятность безотказной работы машины как системы, элементы которой соединены (в надежностном смысле) последовательно, имеет вид:
, (10.13)
где P i(t) – вероятность безотказной работы i-го элемента за наработку времени t;
n – количество элементов в системе.
Рис. 10.5 – Схема последовательного соединения элементов системы
Из равенства (10.13) следует, что утрата работоспособности любого элемента последовательной системы приводит к отказу всей системы. Надежность изделия с последовательным соединением его функциональных элементов относительно невелика.
Пусть, например, изделие с последовательно соединенными четырьмя элементами имеет показатели безотказности работы первого, второго и четвертого элементов, равные 0,9, а третьего – 0,5. Общая безотказность такого изделия, в соответствии с (10.13), равна 0,36.
В последовательных системах элементы системы могут обладать различной безотказностью. Надежность такой системы всегда меньше надежности самого ненадежного элемента. Основным конструктивным способом устранения «слабых» мест в технических системах с последовательным взаимодействием их элементов является резервирование элементов с недостаточной надежностью.
Существуют следующие методы резервирования: общее резервирование, раздельное (поэлементное) резервирование и комбинированное (смешанное) резервирование.
Общим называют такое резервирование, при котором паралльльно подключаются идентичные системы. При этом одна из систем (включающаяся первой) считается основной, а остальные – резервными. На рис. 10.6, а показана схема общего резервирования.
Рис. 10.6 – Схема общего (а) и раздельного (б) резервирования
Раздельным (поэлементным) резервированием является резервирование отдельных элементов системы изделия (рис.10.6, б) в n звеньев.
При комбинированном резервировании в системе элементов изделия применяется как общее, так и раздельное резервирование.
Отношение числа резервных цепей (или элементов) к числу основных называется кратностью резервирования.
В случае общего резервирования вероятность отказа j -й параллельной цепи определяется так:
.
Так как в общей резервной системе (m+1) цепей, а отказ системы происходит при отказах всех цепей, то вероятность отказа такой резервированной системы
.
При одинаковости параллельных цепей, когда
,
Получаем, что итоговая вероятность отказов системы с общим резервированием такова:
. (10.14)
Вероятность же безотказной работы системы изделия с общим резервированием записывается в виде следующего неравенства:
. (10.15)
В случае, когда все элементы системы равнонадежны, P i(t) = P (t),
. (10.16)
Рассмотрим теперь соотношение вероятностей отказов и безотказной работы изделия за время t в случае раздельного резервирования элементов его системы.
При раздельном (поэлементном) резервировании каждый элемент системы фактически состоит из (m+1) одинаковых и параллельно соединенных в звенья элементов. Значит, запись вероятности отказа раздельно резервированного элемента системы, т.е. звена, будет иметь вид:
.
Вероятность безотказной работы такого звена записывается в форме следующего уравнения:
. (10.17)
Все раздельно резервированные элементы, став звеньями, соединяют в системе последовательно, поэтому вероятность безотказной работы такого изделия следует записывать так:
. (10.18)
Если все элементы системы равнонадежны, то вероятность безотказной работы изделия с полным раздельным резервированием имеет следующее математическое выражение:
. (10.19)
Основными способами включения резервных элементов (объектов или цепей) при отказе основным являются следующие:
1. Постоянное резервирование, при котором резервные единицы (элементы, цепи или участки цепей) подключаются параллельно основным в течение всего времени работы (в «горячем» резерве) и находятся в одинаковом с ним режиме.
2. Резервирование замещением, при котором резервные единицы замещают основные только после отказа основных. При этом резервные единицы могут находиться в двух режимах работы: в ненагруженном (в «холодном» резерве), при котором резервная единица не включена; в облегченном (в «теплом» резерве), при котором резервные элементы включены, но не несут нагрузки и поэтому их надежность в резервном состоянии выше, чем в рабочем.
Выбор метода резервирования и способа включения резервных элементов с в систему всегда имеет некоторые ограничения, например, по весу, габаритам, стоимости, по потребляемой мощности и т.д. Поэтому резервирование осуществляется так, чтобы обеспечить необходимое значение критерия надежности при имеющихся ограничениях на общие характеристики изделия (системы).
При проектировании машины вначале создается ее структурная схема, в которой предусматриваются соответствующие соединения отдельных элементов машины. Обычно структурная схема любой машины достаточно сложна и состоит как из последовательных, так и из параллельных (резервированных) соединений ее частей. Такая структурная схема машины называется комбинированной. Расчет безотказности такой комбинированной системы осуществляют совместным использованием уравнений (10.13), (10.14) и/или (10.19).
Приведем простейший пример расчета вероятностей безотказной работы автомобиля со структурной схемой, изображенной на рис. 10.7, и с вероятностью безотказной работы каждого ее элемента, равной 0,9.
Рис. 10.7 – Структурная схема автомобиля
В данной задаче структурная схема автомобиля представлена четырьмя первыми параллельно соединенными (зарезервированными) элементами (1-4), которые представляют собой блок четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Далее последовательно соединены два элемента (5 и 6) трансмиссии, а потом включены два зарезервированных элемента, соответствующие двум независимым системам торможения (ручной и ножной тормоза). Эти элементы обозначены цифрами 7 и 8. Последний (9) последовательно включенный элемент соответствует, например, системе питания машины.
Для определения вероятности безотказной работы автомобиля в целом надо воспользоваться уравнениями (10.13) и (10.19).
Общее уравнение и его решение для условий данной задачи имеет вид:
.
Видно, что итоговая безотказность работы машины всегда меньше безотказности ее составных частей.
Расчетное значение вероятности безотказной работы за некоторый промежуток времени t, полученное на этапе проектирования машины, впоследствии экспериментально определяется и уточняется натуральными испытаниями или наблюдениями при эксплуатации.
К числу требований, обеспечивающих эксплуатационную надежность деталей при производстве их заготовок (в заготовительном производстве), относятся:
– обеспечение качества материала заготовки и соответствие его заданному конструктором по химическому составу и физико-механическим свойствам;
– обеспечение качества заготовок – отливок, поковок, штамповок, заготовок из проката – в отношении достижения однородности материала и отсутствия поверхностных и внутренних дефектов (рыхлости, включений, раковин, трещин и др.);
– обеспечение отсутствия внутренних напряжений.
Заготовки подвергают механической обработки с целью получения заданных форм и размеров деталей, а также для достижения необходимой чистоты поверхности. Существует много методов, способов и специальных режимов механической обработки деталей машин, которые благоприятно влияют на надежность их работы.
Методы термической обработки металлических и других материалов обеспечивают повышение прочностных, физико – химических и других свойств, предопределяющих собой такое комплексное свойство машин, как надежность их работы.
Качество сборки машин из деталей, узлов и отдельных устройств также существенно влияет на безотказность и долговечность машин. В процессе сборки неизбежны пригоночные работы, в процессе которых могут возникать перекосы, смещения сопряженных деталей, повреждения поверхностей и другие дефекты. Механизация и автоматизация сборочных работ не только облегчают труд сборщиков и увеличивают их производительность, но и повышают качество сборки, что способствует достижению большей безотказности и долговечности работы машин.
С повышением требований надежности в целом увеличивается роль контроля качества при производстве изделий и их ремонте. Контроль имеет целью проверить соответствие качества изготавливаемых или ремонтируемых изделий заданному уровню. Для этого контроль необходимо осуществлять на всех этапах производства, начиная с выполнения чертежей, далее при изготовлении заготовок и их обработке, при сборке изделия, и наконец, в процессе его эксплуатации.
Очевидно, что качество машин и, в частности, их безотказность работы закладываются еще в процессе проектирования, исследований и конструирования, а обеспечиваются эти свойства при изготовлении. Однако реализуются надежностные свойства машин в процессе их эксплуатации. Поэтому роль соблюдения правил эксплуатации техники в деле более полного проявления ее положительных функций чрезвычайно велика.
Экстраполяция – это основная и наиболее продолжительная стадия существования технического объекта (изделия) в пользовании потребителя, представляющая собой процесс непрерывного или периодического применения объекта и расходования его технического ресурса. Расходование ресурса, например, машины тем рачительнее, чем выше качество ее эксплуатации, т.е. чем более адекватны условия эксплуатации требованиям нормативно-технической эксплуатации к режимам использования (хранения, транспортирования, установки, работы, обслуживания и ремонтов) данной техники.
