Токарев А.Н. Основы теории надёжности и диагностика. Учебник

Подождите немного. Документ загружается.

При создании надежных систем, принцип избыточности, с

точки зрения надёжности, проявляется в том, что

эксплуатационный срок службы или эксплуатационный ресурс

устанавливается намного ниже среднего срока службы или

среднего ресурса до отказа (см. рис. 5.1).

Пример: На автомобильном транспорте, в начале развития

автомобилестроения, для повышения надёжности основных

деталей автомобиля (например, кузова легкового автомобиля) их

изготовляли с большим запасом прочности. Так, например,

долговечность кузова автомобиля М-20 «Победа» была намного

больше, чем долговечность кузова однотипного автомобиля ГАЗ-

24 «Волга», так как кузов автомобиля М-20 изготовлялся из

металла большей толщины, чем кузов автомобиля ГАЗ-24.

Увеличение толщины большинства основных деталей в

целях повышения их долговечности приводила к увеличению веса

автомобиля, что сказывалось на его технических характеристиках,

таких как динамичность, расход топлива.

Недостаток прочностного резервирования состоит в том,

что увеличение запаса прочности приводит к увеличению

габаритов машины, к увеличению их массы и требует

дополнительных расходных материалов.

5.1.2 Структурное резервирование

Структурное резервирование заключатся в создании в

конструкции машин дублирующих элементов. При выходе из

строя одного из элементов машины дублёр выполняет его

функции, и машина остаётся работоспособной, т.е. не прекращает

свое работы. Это позволяет уменьшить вероятность отказа

машины сразу на несколько порядков.

Резервирование наиболее широко

применяют в

радиоэлектронной аппаратуре, в которой резервные элементы

имеют малые габаритные размеры и легко подключаются к работе.

В механических системах метод резервирования менее

распространён, но, тем не менее, имеет место. Так в транспортных

машинах, в частности в автомобилях, применяют двойную или

тройную систему тормозов. В пассажирских самолетах

используют несколько двигателей (2-4

двигателя). Выход из строя

одного двигателя, кроме последнего не приводит к аварии

самолета. На заводах стараются иметь два или более уникальных

станков основного производства. Применение запасных деталей

также можно рассматривать как один из видов резервирования.

Например: в автомобиле запасное колесо можно рассматривать как

резервный элемент.

В технической литературе структурное резервирование

часто называют резервированием методом замещения

(резервирование замещением).

Резервирование замещением подразделяются на:

- резервирование с не нагруженным резервом;

- резервирование с нагруженным резервом.

В машиностроении различают ещё и особые виды

резервирования, это:

- частичное резервирование, когда резервные агрегаты

используются как рабочие в часы «пик». Например: передний

ведущий мост у автомобиля который вступает в работу при плохих

дорожных

условиях;

- условное резервирование с пониженными показателями,

когда резервирование обеспечивает сохранение

работоспособности, но с пониженными показателями (двойной

контур тормозов у автомобиля);

- облегченное резервирование, когда резервные элементы

до момента включения находятся в облегченном режиме работы и

вероятность их отказа в этот период мала. Например: у некоторых

автомобилей, имеющих привод на два и

более мостов, один из

ведущих мостов работает в облегчённом режиме.

Резервирование с не нагруженным резервом.

Такой вид резервирования заключается в том, что

резервные элементы находятся в отключенном состоянии и

включаются лишь в том случае, если отказывает основной

элемент. Для включения резервного элемента в работу необходимо

специальное устройство включения, а для

обнаружения отказа

основного элемента – диагностический прибор.

Если резервные элементы подключаются к работе по мере

отказов основных, то такое резервирование часто называется

«холодным». Не нагруженные (холодные) резервные элементы не

работают до момента их включения вместо основного элемента,

т.е. в этот период их отказ невозможен.

Наиболее простой случай - это система, состоящая из

основного рабочего и резервного элементов. В этой схеме рабочий

элемент отказывает при случайной наработке

, а наработка

резервного элемента начинается с момента

lll −

Вероятность отказа такой системы для известных законов

распределения наработки на отказы рабочего

)(

и резервного

)(

элементов определяется функцией

∫

∝

⋅=

пр

dffP llll )()()(

2211

А – отказ основного элемента

Рисунок 5.2 - Показатели надёжности при «холодном»

резервировании

Резервирование с нагруженным резервом.

Такой вид резервирования (часто его называют

«горячим») заключается в том, что основные и резервные

элементы работают в течении всего времени работы машины в

одинаковом режиме. При отказе одного из элементов вся нагрузка

переключается на оставшийся работоспособный элемент.

Вероятность отказа такой система равна:

∏

пр

)()( ll

, а вероятность безотказной

работы

∏

−= )(1)( ll РiR

пр

Например, при

;85,0)(8,0)(;15,0)(2,0)(

2121

= llll RиRPиP

вероятность отказа системы -

03,015,02,0)( =⋅=l

пр

а вероятность безотказной работы системы -

97,003,01)( =−=l

пр

т.е. выше вероятности безотказной работы любого из элементов

системы.

Таким образом, надёжность системы с нагруженным

резервным элементом выше, чем надёжность любого входящего в

систему элемента. Это справедливо и для систем с не

нагруженным резервным элементом, где надёжность повышается

примерно в 2 раза (при наличии одного основного и одного

резервного элементов).

Следует отметить, что на практике часто применяются

смешанные виды резервирования, где встречаются резервирование

с нагруженными и не нагруженными резервными элементами. В

этих системах не нагруженное резервирование используется, в

основном, для резервирования наиболее ответственных и менее

надёжных элементов.

5.1.3 Примеры резервирования

На транспорте чаще всего резервирование используется на

машинах, предназначенных для

военных целей, т.к. там требуется

высокая надежность техники. Так некоторые виды военных

транспортных машин имеют два двигателя, один из которых

приводит во вращение колёса транспортной машины одной

стороны, второй – другой стороны. При отказе одного из

двигателей транспортная машина всё равно сохраняет

работоспособность. Это так называемое «горячее» резервирование.

Пример «холодного» резервирования на военных

транспортных машинах это наличие на автомобиле «запасной»

системы зажигания, которая включается в работу при отказе

основной системы.

На

автомобилях общего назначения резервирование

используют, в основном, для элементов, обеспечивающих

безопасность движения. Это, в первую очередь, касается

тормозной системы.

Тормозная система автомобиля имеет различные виды

резервирования. Причём, чем больше грузоподъёмность

автомобиля, тем выше требования по надёжности предъявляются

к тормозным системам этих автомобилей.

На большинстве легковых автомобилей и автомобилей

малой грузоподъёмности используются

раздельные приводы

тормозной системы. Это пример «горячего» резервирования. У

такой тормозной системе, при отказе одного контура, остаётся

работоспособным второй контур, который частично компенсирует

работоспособность всей тормозной системы. В этом случае

исключается вероятность полного отказа тормозной системы при

внезапном отказе одного из контуров. Полного отказа системы не

происходит, но эффективность торможения

снижается.

Примером смешанной системы резервирования является

тормозная система повышенной надежности у автомобилей

высокой проходимости. В такой системе параллельно включены

три независимых тормозных системы: ножная,

дополнительная и ручная.

Ножная система является основной и наиболее

нагруженной. Поэтому она сама выполнена с резервированием.

Дополнительная система, выполненная в виде выхлопного

тормоза и гидравлического замедлителя служит резервом,

позволяя в ряде случаев (например, при длинных уклонах)

разгрузить тормозные механизмы колес.

Ручной тормоз является, как обычно, стояночным. Он

действует непосредственно на колеса. Поэтому даже при отказе

трансмиссии (например, при разрушении карданного вала) ручной

тормоз остаётся работоспособным.

Основная ножная система имеет две параллельные цепочки

элементов - тормоза передних и задних колес. Кроме этого

параллельно механическому приводу к главному тормозному

цилиндру задних колес включен основной пневматический

усилитель, а дополнительный усилитель введен в привод к

передним колесам.

Такое соединение предупреждает полный отказ основной

тормозной системы, а именно:

а) в случае прекращения подачи сжатого воздуха

отказывают оба усилителя, но действуют задние тормоза от

механического привода;

б) при отказе передних тормозов действуют задние, а

торможение облегчается усилителем;

в) при отказе задних тормозов действуют

передние тормоза и работает дополнительный усилитель;

г) если же прекращается подача сжатого воздуха и, кроме

того, выходят из строя передние тормоза, то продолжают

действовать задние тормоза, но без усилителя.

Рисунок 5.3 – Тормозная система повышенной надёжности с

элементами резервирования.

Следует отметить, что принцип резервирования

используется не только при конструировании машин, но он также

используется и в системах управления производством. Например:

при определении запасов; резервного технологического

оборудования; персонала и транспортных средств, что

увеличивает надежность этих систем.

5.1.4 Выбор материала для изготовления элементов

машин.

Тип материала, выбранного для изготовления элемента

машины, очень сольно влияет на его надёжность и, в конечном

итоге, на надёжность машины в целом [3,8].

Выбор типа материала зависит от:

- назначения элемента и его конфигурации;

- характера взаимодействия элемента с другими

элементами машины;

- типа и величины нагрузки, действующей на элемент.

Типы материалов используемых в машиностроении.

Чугуны. Чугуны нашли наибольшее распространение в

промышленной практике. Они бывают белые, серые, высоко-

прочные, ковкие, антифрикционные, легированные и т.д. Чугун

достаточно прочный и сравнительно дешевый метал из которого

делают основания станков, детали корпусов, зубчатые колёса,

блоки цилиндров двигателей и т.д.

Чугун применяется там, где имеют место массивные детали

не требующие высоких прочностных свойств.

Сталь. Она обладает высокими прочностными свойствами

и высокой износостойкостью. Из неё, как правило, делают детали,

требующие повышенной прочности. Это валы, оси, болты,

шпонки, коленчатые валы, зубчатые колёса и т.д. Для наиболее

ответственных деталей используют легированные

конструкторские стали.

Алюминий и алюминиевые сплавы имеют малый

удельный вес, высокую пластичность и высокую коррозионную

стойкость. Из этих сплавов делают детали и элементы

конструкций средней прочности. Это трубопроводы, ёмкости для

жидкостей, заклёпки, электропровода, кузова автомобилей и т.д.

Магниевые сплавы наиболее лёгкие, но в тоже время

довольно прочные материалы. Ещё более лёгкие и более прочные

сплавы – это титановые сплавы. Они также отличаются и

высокой коррозионной стойкостью.

Медь и медные сплавы нашли наибольшее

распространение в электромашиностроении, т.к. обладают

высокой электропроводимостью.

Зная свойства того или иного материала, зная влияние

материала на надёжность изделия можно путём подбора типа

материала значительно увеличить надёжность машины.

В качестве примеров можно привести выбор материалов в

автомобильной промышленности. Так, например, для

изготовления тяжело нагруженных автомобильных деталей

используют легированные стали.

Наиболее металлоемкие несущие элементы конструкции

автомобиля стремятся изготовлять из низколегированной стали.

Например, для сварной платформы автомобиля БеЛАЗ-549

применяется листовая сталь 14Х21МР, которая имеет специальные

низкотемпературные и прочностные свойства. Применение такой

стали позволяет значительно облегчить конструкцию и

использовать автомобиль в арктических условиях.

Для автомобильных кузовов некоторые фирмы используют

оцинкованный стальной лист (США, Япония, ФРГ) с целью

повышения коррозионной стойкости.

В качестве подшипников скольжения широко используют

биметаллические и трехслойные подшипники. В биметаллических

подшипниках в качестве рабочего антифрикционного слоя

применяют свинцовистую бронзу или пластичные алюминиевые

сплавы. При этом давление на подшипник допускается до 20 МПа.

Трехслойные подшипники, у которых между баббитом и стальной

лентой находится металлокерамический или медно-никелевый

подслой (ГАЗ-33, ЗИЛ-13О, ЗИЛ-375), имеют большую

долговечность по пределу выносливости, чем биметаллические.

Более подробно вопросы влияния типа материалов на

надёжность машин изложены в специальной литературе

[6,7,8,9,24].

5.2 Технологические методы обеспечения и повышения

надёжности машин

На стадии производства машины можно либо обеспечить

заданную при проектировании надежность машины, либо снизить

её, либо повысить [8,9]. Пути обеспечения заданной надежности и

возможные пути повышения надежности машины при её

производстве складываются из:

- применения современных технологий изготовления

деталей;

- соблюдение технологии изготовления;

- организационных причин;

К организационным причинам, от которых зависит

обеспечение заданной надежности машин, относятся:

а) использование передовых методов организации

производства и труда;

б) автоматизация и механизация технологических

процессов;

в) внедрение гибких производственных систем и

автоматизированных систем управления и т.д.

Соблюдение технологии изготовления обусловлено:

а) систематическим контролем параметров

технологических процессов, лимитирующих надежность изделия;

б) соблюдением технологической дисциплины;

в) внедрением контроля качества и надежности

комплектующих изделий и материалов.

Наиболее значимым путём обеспечения заданной

надёжности машины и даже повышение её надёжности, является

применение современных технологий изготовления деталей

машин.

Технологические этапы обеспечения надёжности.

К основным технологическим этапам, на которых

формируется надежность изделий машиностроения, относятся:

1) производство заготовок или полуфабрикатов

методами первичного формообразования: литьем, обработкой

давлением, сваркой;

2) предварительная обдирочная (черновая и

получистовая) механическая обработка поверхностей заготовок

резанием;

3) упрочнение деталей машин методами упрочняющих

технологий;

4) сборка изделия.

Соблюдение технологии на каждом технологическом

этапе позволяет обеспечить заданную надежность изделия.

5.2.1 Производство заготовок

При изготовлении заготовок основными элементами

технологической системы, непосредственно влияющими на

показатели качества и надежности изделий, служат:

1) геометрия и конструкция формообразующих

инструментов;

2) тип и технические характеристики технологического

оборудования и оснастки;

3) физико-механические свойства исходных материалов;

4) технологические методы формообразования заготовок и

их обработки;

5) способы и методы контроля.

Примечание: в ряде случаев первичные технологические

методы формообразования (литье, сварка, пайка и др.) являются

финишными и, следовательно, надежность таких деталей

определяется свойствами и качеством этих операций (при

заданных материалах и конструкции).

5.2.2 Механическая обработка заготовок

Основной вид обработки - резание. Обработка

заготовок резанием сопровождается:

а) термодинамическим взаимодействием между заготовкой

и инструментом;

б) упруго-пластическим деформированием материала

обрабатываемой заготовки;

в) значительным тепловыделением и другими процессами.