Токарев А.Н. Основы теории надёжности и диагностика. Учебник
Подождите немного. Документ загружается.
80
сожалению, создателям сложных технических машин не удаётся
сделать все детали равнонадёжными, т.е. с одинаковыми
показателями надёжности (особенно это касается величины
ресурса). Поэтому, в процессе эксплуатации машины, эти элементы
необходимо заменять на исправные, т.е. ремонтировать. У части
элементов машины, таких как, например, крепёжные соединения, в
процессе их эксплуатации под действием
вибрации нарушается
степень затяжки и если своевременно не «подтянуть» эти
соединения (не сделать вовремя профилактику), то их ресурс может
резко сократиться.
Поэтому, в практике эксплуатации сложных машин, для
поддержания машины в технически исправном состоянии ей
необходимо на определённом этапе эксплуатации проводить
профилактические или ремонтные работы. Цель этих работ –
поддержать надёжность
машины на требуемом уровне и продлить её
общий ресурс.
ℓi - величина наработки на отказ і-го элемента машины
Рисунок 4.12 – Вероятность безотказной работы деталей и
машины в целом в процессе эксплуатации
Как видно из графика (рис. 4.12) при ℓi возможен отказ
одного из элементов машины и если в процессе эксплуатации этот
элемент не заменить на исправный, то наработка машины в целом
может резко сократиться (вместо ℓ
2 будет ℓ1). Поэтому при
эксплуатации машины и применяется система технического
обслуживания и ремонта.
81
4.4.6 Надёжность машин при совместном действии
внезапных и постепенных отказов
В реальных условиях эксплуатации на этапе разрушения
машины происходят, в основном, постепенные (износовые) отказы,
но и в то же время происходят и внезапные отказы. В итоге графики
изменения показателей надёжности изменяются (см. рис. 4.13).
Рисунок 4.13 – Совместное действие внезапных и постепенных
отказов
На рис. 4.13 показаны кривые вероятности отсутствия
внезапных отказов (вероятность безотказной работы, Rв), отсутствия
постепенных отказов (Rn) и кривая вероятности безотказной работы
при совместном действии внезапных и постепенных отказов
∑
R
.
Суммарная кривая вначале, когда интенсивность
постепенных отказов низка, соответствует кривой отсутствия
внезапных отказов
)(l
В
R
, а потом резко снижается, т.к. в период
постепенных отказов их интенсивность, как правило, многократно
выше, чем внезапных.
Математически вероятность безотказной работы машины
за период ℓ, если до этого она имело наработку ℓі, определяется
следующим образом. По теореме умножения вероятностей
суммарная вероятность безотказной работы равна
),()()( lll
nВ
RRR
⋅
=
∑
82
где
l
l
λ
−
= eR
В
)(
и
)(/)()( LRLRR
nnn
ll
+
=
- вероятности
отсутствия внезапных и соответственно постепенных отказов.
4.4.7 Особенности надёжности восстанавливаемых изделий
Напомним, что восстанавливаемыми называются изделия,
работоспособность которых в случае возникновения отказа,
подлежит восстановлению методами профилактики или ремонта.
Напомним так же, что у невосстанавливаемых изделий
рассматриваются только первичные отказы (других нет), а у
восстанавливаемых – первичные и повторные.
Для восстанавливаемых
изделий все рассуждения и
термины для невосстанавливаемых изделий распространяются на
первичные отказы. Вторичные и последующие отказы также можно
рассматривать как невосстанавливаемые, но только на определённом
отрезке наработки.
Как известно для восстанавливаемых изделий используется
показатель «параметр потока отказов»
i
i
i
n
N
m
∑
∆⋅
∆
=
l
l
l
)('
)(
ω
,
где
)('
i
m l∆ - суммарное число отказов в интервале )(
i
l∆ .
При наличии только внезапных отказов, закон
распределения наработки до отказа экспоненциальный. Если
изделие при отказе заменяется новым (восстанавливаемое изделие),
то образуется поток отказов, параметр потока отказов которого не
зависит от наработки ℓ и равен интенсивности λ [11,12].
При наличии только постепенных отказов наблюдается
нормальный закон распределения наработки до отказа, при
котором
параметр потока отказов вначале возрастает, потом падает и при
повторной замене отказавшего элемента процесс повторяется.
При совместном действии внезапных и постепенных
отказов параметры потоков отказов складываются. При этом
получается, что параметр потока отказов ω(ℓ) в зависимости от
величины наработки сначала возрастает, потом начинаются
колебания, которые в последствии затухают
. Наблюдаемые
83
максимумы ω(ℓ) соответствуют средней наработке до отказа
первого, второго, третьего и т.д. поколений (см. рис. 4.14).
Рисунок 4.14 – График параметра потока отказов изделий с
последовательной заменой после отказа
=
Из графика видно, что с увеличением наработки растёт
количество замен и при большой величине наработки образуется
поток отказов, параметр которого не зависит от наработки ℓ и
является постоянным.
const
=
≈
ω
ω
)( l
,
Следовательно, наработка на отказ у восстанавливаемых
изделий при многократных заменах подчиняется экспоненциальному
закону.
В сложных изделиях (машинах) параметр потока отказов
рассматривается как сумма параметров потоков отказов.
Составляющие потоки можно рассматривать по узлам или по типам
устройств, например механическим, гидравлическим,
электрическим, электронным и другим
)(l
λ
+
)(
1
l
λ
+
)(
2
l
λ
+…
Соответственно средняя наработка между отказами изделия (в
период нормальной эксплуатации) будет равна
λ
1=L
.
Вероятность безотказной работы от момента L до L+ℓi
подчиняется экспоненциальному распределению [10,12] и будет
равна
l
l
/
)(
λ
−
= eR
.
84
4.5 Общая схема расчёта надёжности сложных машин
При проектировании новой машины или при её
модернизации, иногда и при эксплуатации машины возникает
потребность в определении её предполагаемой надёжности. Это
так называемая расчётная надёжность машины.
Общая схема расчета надёжности сложной машины
представлена на рис. 4.15.
Рисунок 4.15 – Схема расчёта
сложной машины на
надёжность
Надёжность
машины
Конструктивная
надёжность
Технологическая
надёжность
Эксплуатационная
надёжность
Учёт влияния различных факторов на показатели
на
д
ёжности машин
конструкция
элементов
схема
соединений
элементов
применяемые
материалы
технология
обработки
деталей
качество
сборки
система ТО и
ремонта
режимы
работы
качество
эксплуатации
Параметры надёжности
машины
85
При таком расчёте показателей надёжности сложных
машин учитывают:
- параметры надежности, заложенные при проектировании
машины;
- параметры надёжности машины, которые могут быть
получены после её изготовления;
- возможное изменение параметров надёжности машины в
процессе её эксплуатации.
На надёжность машин при проектировании влияет
конструктивные факторы, такие как: конструкция элементов,
схема их соединений и
тип применяемых материалов.
При изготовлении машины на заводе на её надёжность
влияют технологические факторы, такие как: технология
обработки материалов, технология и качество сборки машины.
В эксплуатации на изменение показателей надёжности
влияет: вид и качество системы технического обслуживания и
ремонта, режим работы машины и качество эксплуатации
машины.
При расчёте показателей надёжности
сложных машин
необходимо на всех этапах расчёта учитывать влияние и других
факторов, влияющих на её надёжность.
Например: при расчёте надёжности автомобилей в
эксплуатации необходимо учитывать влияние на надёжность
природно-климатических условий, качество горюче-смазочных
материалов, качество вождения и т.д.
После всех расчётов составляется карта надёжности
сложной машины. Следует отметить
, что карта надёжности
машины может быть составлена и на основе статистических
материалов по отказам элементов машины полученных во время
всевозможных испытании или в эксплуатации [15,17].
Карта надёжности сложных машин
Карта надёжности – это содержательная и доходчивая
форма представления показателей надёжности элементов сложной
машины, это своего рода «зеркало надёжности». Она представляет
собой
графики вероятности безотказной работы наиболее важных
агрегатов (узлов, деталей) машины.
86
На рис. 4.16 приведена карта надёжности автомобиля
Икарус – 260.
Карта надежности, составленная расчётным или
экспериментальным путём, при проектировании машины
позволяет:
- выявить детали и узлы, требующие повышенного
внимания конструкторов машины;
- подобрать оптимальные методы повышения надёжности
конкретных малонадёжных деталей;
- разработать конструкцию машины, имеющую
равнонадёжные элементы.
Знание показателей надёжности на этапе эксплуатации
машины позволяет:
- выбрать более надёжные машины из серии предлагаемых;
- знать, как изменяются показатели надёжности при
различных условиях эксплуатации;
- знать, какие элементы данной машины являются
критическими по надёжности.
Зная надёжность элементов машины в эксплуатации
можно:
- планировать потребность в запасных частях;
- планировать работу машин;
- планировать ТО и ремонт машин;
- рассчитывать многие производственные процессы.
В заключении следует отметить, что все расчёты сложных
машин необходимы как при конструировании, так и при
изготовлении, так и при эксплуатации сложных машин для
решения многих производственных задач.
87
--- доверительные границы вероятности безотказной работы;
– вероятность безотказной работы.
Рисунок 4.16 – Карта надёжности элементов автомобиля
ИКАРУС – 260
88
Глава 5. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ
НАДЁЖНОСТИ МАШИН
Как известно, надёжность закладывается при
проектировании, реализуется в процессе изготовления машины и
поддерживается в процессе эксплуатации. Учитывая это, все
методы повышения и поддержания надёжности подразделяется на:
- конструкторские;
- технологические;
- эксплуатационные.
5.1 Конструкторские методы повышения надёжности
машин
Повысить надёжность машины при её конструировании
возможно либо путём создания новой конструкции машины, либо
путём усовершенствования действующей [5,6,8,24].
Создание новой конструкции машины – это один из
основных путей повышения её надежности. Путём создания новой
машины идут многие конструкторы. Если не удаётся
сконструировать принципиально новую машину, то идут путём
создания принципиально новых агрегатов, узлов и деталей для неё.
Важным
при создании новой машины является её повышенная
надёжность по сравнению с предыдущей моделью.
Пример: большинство конструкторских бюро автозаводов
раз в 5-10 лет обновляют марку автомобиля. В новую модель
стремятся вложить всё то новое, что имеется в области
автомобилестроения на данный момент. Главное при создании
новой модели автомобиля это повышение её надёжности. Только
в
этом случае можно обеспечить конкурентоспособность новой
модели.
Над усовершенствованием действующей модели
конструкторы работают практически постоянно. По мере
получения данных о надёжности машины конструкторы
определяют «узкие» места в ней, т. е. определяют узлы, агрегаты,
детали с наименьшей надёжностью; анализируют отказы этих
элементов и разрабатывают конструктивные мероприятия по
89
повышению их надёжности. После разработки этих мероприятий
они внедряются в производство.
Наиболее общими и часто применяемыми методами
повышения надёжности элементов машины на стадии
проектирования или усовершенствования являются методы
резервирования.
Различают следующие методы резервирования:
- прочностное;
- структурное.
5.1.1 Прочностное резервирование
Прочностное резервирование применяется в основном
для механических систем, в том числе и для автомобиля. Для
повышения надежности машин в этом случае используют
принцип избыточности. Суть его состоит в том, что запас
надежности повышается за счет удаления области состояний
изделия в эксплуатации от предельных значений.
Это достигается за счет создания запасов прочности
элементов машины, увеличения износостойкости её деталей
(например, за счет увеличения площади опорных поверхностей,
увеличения жесткости, виброустойчивости, теплостойкости и т.д.).
ℓу.с.с.- установленный срок службы (ресурс) машины;
ℓс.с.с. - средний срок службы (средний ресурс) машины..
Рисунок 5.1 - Сроки службы машины.