Волчкевич Л.И. Автоматизация производственных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

131

Таковы некоторые исходные положения теории надежности. Они в

одинаковой мере относятся к любым техническим устройствам: как к

функционально самостоятельным (машинам и их системам), так и к их

компонентам любого уровня.

Важнейшими факторами нарушения заданных условий взаимодей-

ствия между механизмами, инструментом и заготовками являются не

только вредные воздействия на машины в процессе их длительной экс-

плуатации [21], но и циклическая нестабильность параметров работы,

которая проявляется с самого начала эксплуатации.

Классификация факторов возникновения отказов при работе машин

приведена на рис. 4.1.

Систематическими факторами нарушения заданных условий взаи-

модействия между механизмами, заготовками и инструментом являются

такие факторы, числовые значения которых стабильны при различных

последовательных реализациях работы машин, например погрешности

сборки узлов (непараллельность, неперпендикулярность и т.п.). Боль-

шинство из них формируется в процессе сборки и наладки машины и

служит характеристикой качества конструкции, ее сборки, наладки и экс-

плуатации.

Рис. 4.1. Факторы возникновения отказов при эксплуатации машин

ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ В РАБОТЕ

132

К числу циклически действующих, обратимых факторов относятся

те, у которых числовые значения при каждой реализации есть случайные

величины, распределенные в определенном диапазоне. Их характерная

особенность – изменение по величине (увеличение или уменьшение) без

вмешательства человека. Эти факторы обусловлены нестабильностью

внешних условий, технологических и конструктивных параметров: раз-

меров и формы заготовок; физико-химических свойств обрабатываемых

материалов; температуры и влажности окружающей среды; режимов и

сил обработки; температуры и свойств рабочих жидкостей и газов; ско-

ростей рабочих и холостых перемещений; конечных положений меха-

низмов (их позиционирования); коэффициентов трения, взаимного рас-

положения конструктивных элементов; воспроизведения управляющих

программ и т.д.

Отличительная особенность монотонно действующих, необрати-

мых факторов заключается в том, что характеризующие их числовые

значения могут изменяться в процессе эксплуатации машин (только уве-

личиваться или уменьшаться). Этот процесс может быть остановлен че-

ловеком или использованием специальных компенсирующих механиз-

мов. Необратимые факторы различают по интенсивности изменения ха-

рактеризующих числовых значений: высокой, средней и малой интен-

сивности (деление является условным).

К числу необратимых факторов относят: износ инструмента; разре-

гулирование механизмов и устройств; засорение и загрязнение рабочей

зоны; ухудшение свойств рабочих жидкостей и газов; утечку жидкостей

и газов; приработку поверхностей; износ деталей и сопряжении; сниже-

ние сопротивления усталости; коррозию; изменение формы (коробление)

и физико-химических свойств (старение) конструкционных материалов;

изменение квалификации обслуживающего персонала; ухудшение орга-

низации обслуживания и др. Большинство из этих факторов, способст-

вующих возникновению отказов в работе машин, обусловлено внешними

воздействиями на машину в процессе ее эксплуатации, влиянием различ-

ных видов энергии (механической, тепловой, химической, электромаг-

нитной).

Систематические и циклически действующие факторы определяют

вероятность возникновения параметрических отказов и отказов элемен-

тов, начиная с момента ввода автомата или линии в эксплуатацию. При

каждом очередном срабатывании машины числовые значения цикличе-

ски действующих факторов получаются как реализации случайных вели-

чин. Благоприятное сочетание числовых значений последних обеспечи-

Глава 4. НАДЕЖНОСТЬ МАШИН

133

вает заданные условия взаимодействия и нормальное срабатывание ма-

шины; неблагоприятное означает отказ, когда либо не выполняется ка-

кой-нибудь элемент рабочего цикла машины, либо выдается некачест-

венная продукция.

Действие необратимых, монотонных факторов любой интенсивно-

сти приводит к увеличению циклической нестабильности определяющих

параметров технологического процесса и конструкции: ухудшению точ-

ности позиционирования и взаимного расположения конструктивных

элементов: увеличению мгновенного поля рассеяния размеров, диапазона

рассеяния рабочих сил, опорных реакций, коэффициентов трения; сни-

жению жесткости узлов и т.д.

Пример 1. Рассмотрим причины отказов при выполнении операции

штабикования электронно-оптических систем (ЭОС) кинескопов.

ЭОС – это система конструктивно независимых соосных электродов с весь-

ма точным и стабильным взаимным положением, что достигается следующим

образом. К наружным поверхностям всех электродов привариваются специаль-

ные иголки с радиально направленными остриями. Затем ЭОС собирают на спе-

циальной оправке, которая обеспечивает как соосность, так и осевые зазоры. Да-

лее выполняют операцию штабикования, а именно: нагревая стеклянные штаби-

ки, последовательно накалывают каждый из них на ряд линейно расположенных

иголок всех электродов, тем самым обеспечивается закрепление взаимного поло-

жения, достигнутого с помощью оправки. Впоследствии оправку разбирают и уда-

ляют, а электроды ЭОС остаются в положении, необходимом для общей сборки.

Конструктивная схема позиции по-

луавтомата штабикования показана на

рис. 4.2. На ползуне 1 с вертикальным

ходом закреплена оправка 3 собранной

ЭОС, на которой уже зафиксированы два

штабика 2; необходимо закрепить третий.

Штабик подается на призму 4, на которой

и нагревается в стороне от зоны сборки

до размягчения стекла. Далее следует

быстрый ход призмы (перпендикулярно к

плоскости рисунка) и сразу же – верти-

кальный ход ползуна 1, в конце хода ост-

рия иголок внедряются в штабик, кото-

рый и уносится при возврате ползуна.

Казалось бы, налицо простейшая

сборочная процедура. Однако для высо-

кокачественного выполнения процесса

необходимо соблюсти ряд условий: вы-

держать определенную температуру шта-

ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ В РАБОТЕ

Рис. 4.2. Конструктивная схема

позиции полуавтомата

штабикования ЭОС

134

бика в момент внедрения иголок (не выше и не ниже некоторого предела), задан-

ную глубину внедрения иголок δ в разогретое стекло; соосность между траекто-

рией перемещения концов иголок и осью штабика (е = 0) и др.

Но эти условия даже в начальные периоды эксплуатации оборудования не

могут быть гарантированы, поскольку определяющие их факторы меняются по

величине как циклически (от срабатывания к срабатыванию), так и монотонно с

течением времени.

Температура штабика в момент накалывания есть случайная величина, ко-

торая при каждом очередном рабочем цикле определяется давлением газа в сети и

его теплотворной способностью, а следовательно, температурой пламени горе-

лок; теплоемкостью самого штабика, которая зависит от его массы и химического

состава стекла; теплоотвода при нагреве, определяемого и температурой окру-

жающей среды (воздуха в цехе), и теплопотоком от штабика через призму, и т.д.

Неблагоприятное сочетание факторов может привести к тому, что при очередном

срабатывании штабик будет нагрет ниже критической температуры и внедрения

иголок не произойдет (либо треснет штабик, либо иголки согнутся).

Глубина внедрения иголок δ также является случайной величиной, она оп-

ределяется наладкой величины хода механизма накалывания l и меняется во вре-

мени вследствие разрегулирования, износа, снижения жесткости и т.д. От цикла к

циклу машины величина δ меняется случайно вследствие колебаний диаметра

штабика и длины иголок, а также диаметров элементов ЭОС, к которым по пери-

ферии приварены иголки. При неблагоприятном сочетании этих параметров вне-

дрения иголок может не произойти.

Эксцентриситет е между осью штабика и траекторией перемещения иголок

(по их остриям) практически неизбежен уже вследствие погрешностей сборки

направляющих призмы и направляющих механизма накалывания, погрешности

расположения гнезд шпинделя под оправку в конусе механизма накалывания,

пространственной погрешности расположения оправки с элементами ЭОС в

шпинделе и т.п.

Случайными факторами являются: наличие зазоров в направляющих приз-

мы и механизма накалывания; геометрическая неточность приварки иголок по

окружности; их изогнутость; уровень заострения и т.д. В результате при тех или

иных неблагоприятных сочетаниях в очередном рабочем цикле иголка может

войти в стекло не по центру и согнуться.

Таковы факторы возникновения отказов только на одной рабочей позиции.

Но таких позиций три, и в каждой накалываются новые свои, так что к моменту

завершения сборки каждый из штабиков будет находиться в своем температур-

ном режиме, в различных фазах температурного расширения стекла, и это после

разборки оправки может привести к перекосам элементов, нарушению их про-

странственного расположения по соосности и перпендикулярности.

Все указанные факторы усугубляются при длительной эксплуатации, когда

все больше проявляются износ сопрягаемых поверхностей, коррозия, коробление,

загрязнение и разрегулирование.

Глава 4. НАДЕЖНОСТЬ МАШИН

135

Приведенный пример иллюстрирует ситуацию, когда появление от-

каза означает отсутствие результата – сборка ЭОС не выполнена.

Пример 2. Иллюстрацией технологической (параметрической) надеж-

ности, когда отказ означает получение продукции, не соответствующей требова-

ниям качества, может служить процесс глубокого сверления отверстий в корпус-

ных деталях на агрегатных станках или на станках с ЧПУ (рис. 4.3).

Идеальная схема с направлением инструмента посредством кондукторной

втулки приведена на рис. 4.3, а. Соответствующие кинематические, прочностные

и другие расчеты позволяют обеспечить частоту вращения сверла и подачу, а

также прочность инструмента диаметром d, а следовательно, получение отвер-

стия без каких-либо отклонений центра сверла от заданной координатной точки

О (отклонение х

= 0). Тем самым, при идеальных условиях взаимодействия меж-

ду шпинделем, инструментом, кондукторной втулкой и обрабатываемым издели-

ем нахождение оси отверстия в пределах допуска δ должно обеспечиваться неза-

висимо от длины втулки l

, расстояния между втулкой и торцом l

, зазора между

втулкой диаметром D и инструментом диаметром d. Однако стабильное условие

= 0 может быть обеспечено при абсолютной соосности между шпинделем и

кондукторной втулкой, т.е. при отсутствии биения шпинделя и погрешностей

закрепления детали в зажимном приспособлении.

Реально даже в новых, неизношенных станках при каждом очередном рабо-

чем цикле станка х

, т.е. отклонение оси отверстия от номинальной точки О, будет

случайной величиной (рис. 4.3, б).

Это обусловлено несоосностью

между осью втулки и шпинделем

∆

, погрешностью изготовления

и сборки, а также биением оси

инструмента, которое в процессе

его вращения имеет переменный

знак (±∆

). При движении инст-

румента вдоль кондукторной

втулки он контактирует с кром-

ками втулки, происходит его

изгиб, величина которого зави-

сит от зазора между отверстием

втулки и сверлом диаметром d,

от длины втулки l

, а также несо-

осности ∆

и биения ∆

. Поэтому

ось инструмента неизбежно от-

клоняется от оси втулки на вели-

чину, зависящую и от расстояния

между торцом и деталью l

Так как ∆

является знако-

переменной величиной в процес-

ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ В РАБОТЕ

Рис. 4.3. Конструктивная схема

позиции сверления

136

се каждого оборота, момент соприкосновения вершины сверла с изделием случа-

ен при каждом новом ходе сверла. Отклонение оси отверстия относительно оси

кондукторной втулки является случайной величиной не только по абсолютному

значению, но и по направлению. Поле рассеяния положений оси отверстия с раз-

личной величиной вероятности попадания оси в каждую точку внутри эллипса по-

казано на рис. 4.3, б.

При каждом новом срабатывании станка благоприятное сочетание числовых

значений определяющих параметров (например, погрешность базирований дан-

ной детали имеет тот же знак, что и несоосность шпинделя со втулкой) говорит о

нормальном срабатывании и получении изделия, отвечающего требованиям каче-

ства. Неблагоприятное сочетание свидетельствует о параметрическом отказе:

деталь обработана, однако требования качества не выдержаны.

В процессе эксплуатации станка числовые значения определяющих пара-

метров не остаются неизменными во времени. Так, износ кромок кондукторной

втулки (функция исходных погрешностей, зазора и длины втулки, сил обработки

и т.д.) приводит к увеличению хаотичности положения вершины сверла в момент

соприкосновения с изделием (рис. 4.3, в), а следовательно, и эллипса рассеяния

положения оси отверстия. Поскольку в общем случае износ кромок по окружно-

сти неодинаков (∆h

, ∆h

), может измениться не только величина, но и форма

эллипса рассеяния, а также его положение по отношению к точке О, так как од-

новременно происходит износ направляющих силовой головки или стола (сме-

щение шпинделя относительно втулки), а также износ и ослабление зажимного

приспособления.

Как видно, постоянно действующими факторами, порождающи-

ми отказы, являются: несоосность шпинделя с кондукторной втулкой,

зазор между втулкой и инструментом и др.; циклическими – отклонение

вершины инструмента от оси вращения, биение, погрешность позицио-

нирования и др.; монотонно-действующими – износ кондукторных

втулок и направляющих, разрегулирование зажимного приспособления,

попадание грязи и стружки в зазоры.

Пример 3. Рассмотрим причины отказов при сборке магнитоуправляе-

мых герметизированных контактов (герконов), которые широко применяются в

САУ, разнообразных контрольно-блокировочных устройствах т.д. В обычном

состоянии геркон (рис. 4.4, ж) тока не проводит, для этого нужно приложить

посредством электромагнитной катушки внешнее поле.

Герконы, работая в режиме замыкания-прерывания, значительно более на-

дежны и долговечны, чем обычные контакты того же назначения. При сборке (см.

рис. 4.4, а) сначала в сборочные головки подаются верхний 1 и нижний 3 контак-

ты-детали и стеклянная трубка-баллон 2. Затем путем перемещений в сборочной

Глава 4. НАДЕЖНОСТЬ МАШИН

137

Рис. 4.4. Технологический процесс сборки и заварки герконов:

1 – верхний контакт-деталь; 2 – стеклянный баллон-корпус;

3 – нижний контакт-деталь; 4 – электромагнитная катушка

головке контакты-детали вводятся внутрь баллона и взаимно устанавливаются по

вертикали с заданным перекрытием U (см. рис. 4.4, б). После этого заваривают

верхний контакт с баллоном посредством инфракрасного нагревательного уст-

ройства, с интенсивной продувкой через баллон инертного газа (см. рис. 4.4, в).

После охлаждения верхнего спая проводится взаимная настройка контактов в

радиальном направлении на величину S (см. рис. 4.4, г). Теперь заваривают ниж-

ний контакт (см. рис. 4.4, д), что выполняется при подаче газа в зону спая. После

охлаждения нижнего спая (см. рис. 4.4, е) готовый прибор выгружают из сбороч-

ной головки и контролируют его на магнитодвижущую силу (МДС) срабатывания

совместно с катушкой 4 (см. рис. 4.4, ж).

Однако не всегда обеспечивается получение годных изделий. Основные ви-

ды брака и их причины проиллюстрированы эскизами на рис. 4.5, а – г. Причина-

ми отказов, как показали исследования, являются прежде всего циклически дей-

ствующие факторы, а именно нестабильность:

– кривизны контактов-деталей, их толщины, магнитных и упругих харак-

теристик;

– толщины, диаметров и длины стеклянных баллонов;

– параметров энергоносителей (колебания давления азота, примеси в га-

зах);

– условий окружающей среды по температуре и запыленности и т.д.

Часть отказов обусловлена монотонно действующими факторами: загрязне-

нием лотков, по которым подаются детали из вибробункеров при загрузке; ослаб-

лением креплений вследствие вибраций и колебания температуры, износа зажи-

мов сборочных головок и т.д.

Среди всех видов брака превалирует брак по МДС срабатывания (см. рис. 4.5, г),

что выявляется путем контроля по завершении сборки и заварки. Это объясняется

наличием контактов-деталей с большой кривизной и разбросом физико-

механических свойств, а также нестабильностью системы настройки на взаимное

ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ В РАБОТЕ

138

Рис. 4.5. Основные виды брака при сборке и заварке герконов:

а – из-за нарушения взаимного положения деталей; б – из-за нарушения спаев

стекла с металлом; в – из-за окисления контактов; г – из-за нарушения МДС

срабатывания; 1 – верхний контакт; 2 – баллон; 3 – нижний контакт

положение контактов по расстоянию S (см. рис. 4.4, г). В первых конструкциях

машин-автоматов была применена система настройки по жестким упорам, в ко-

торой упирался корпус сборочной головки в конечном положении хода. Поэтому

в дальнейшем появилась конструкция с настройкой величины S по МДС срабаты-

вания. По этому способу контакты-детали после заварки верхнего спая (см. рис.

4.4, г) разводят на величину, заведомо большую, чем S, затем их постепенно

сближают в магнитном поле (см. рис. 4.4, д) до момента, пока не замкнется кон-

такт под действием МДС, что служит сигналом для фиксации положения голо-

вок. В данном фиксированном положении и заваривают нижний контакт-деталь

(см. рис. 4.4, е).

Пример 4. Рассмотрим ситуацию, когда подавляющее большинство от-

казов вызываются монотонно действующими факторами средней и малой интен-

сивности, которые проявляются в процессе длительной эксплуатации. Это в пер-

вую очередь износ контактных поверхностей, а также старение конструкционных

материалов, что приводит к снижению прочности и жесткости, а следовательно к

деформациям, выкрашиванию поверхностного слоя и т.д.

Глава 4. НАДЕЖНОСТЬ МАШИН

139

На рис. 4.6 приведена конструктивная схема транспортера-подъемника ав-

томатической линии для обработки изделий типа колец. Штанга 2 совершает воз-

вратно-поступательные движения от гидро- или пневмопривода 1 (возможен и

механический привод от электродвигателя через редуктор и кривошипно-

шатунный механизм). При нижнем положении штанги (см. рис. 4.6, а) в шахту 4

транспорта-подъемника из приемного лотка поступает очередная заготовка. При

ходе вверх штанга перемещает весь столб заготовок на один шаг, при этом верх-

няя заготовка скатывается по лотку выдачи. При обратном ходе штанги (вниз)

столб заготовок удерживается от опускания подпружиненным стопором 3 (см.

рис. 4.6, б), который при каждом ходе вверх утапливается очередной заготовкой.

Такое несложное устройство должно, по идее, работать безотказно, если бы

не было износа и деформаций стенок, что приводит к заклиниванию и застрева-

нию колец.

Схемы наиболее типовых отказов при работе подъемников толкающего ти-

па показаны на рис. 4.7. При опускании ползуна столб колец 2 значительной силы

тяжести задерживается отсекателем 3 (см. рис. 4.7, а, б), при этом нижние кольца

из-за создавшегося момента сил разворачиваются с ударом о стенку шахты, по-

степенно образуя на стенке выемку. Со временем последняя достигает размеров,

достаточных для заклинивания колец. Устранение подобных отказов занимает

значительное время, так как шахта подъемника не просматривается. В подводя-

щих лотках, а также в шахтах подъемника при увеличении зазора между кольца-

ми и бортом из-за неточности изготовления или деформации может произойти

западание буртов заготовок и их заклинивание (рис. 4.7, б).

Рис. 4.6. Транспортер-подъемник толкающего типа с толкателем

в нижнем (а) и верхнем (б) положениях

ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ В РАБОТЕ

140

Рис. 4.7. Схема возникновения отказов при работе толкающего подъемника:

а – при местном износе стенок; б – при деформации стенок по ширине;

в – при местной деформации; R – опорная реакция; F – силы трения;

Р – движущая сила; G – сила тяжести изделий; v – направление скорости

перемещения изделий; R

, R

– опорные реакции

На рис. 4.7, в показана схема заклинивания колец конических подшипников

в шахте подъемников при возникновении шероховатостей, деформации тонко-

стенных бортов канала шахты, появляющейся в результате их износа, попадания

посторонних предметов вместе с кольцами. Подобные неполадки могут привести

к поломке и разрушению механизмов подъемников, особенно при несрабатыва-

нии блокировочных устройств.

Итак, при конструировании подъемников требования высокой точности из-

готовления и сборки, жесткости и износоустойчивости являются такими же необ-

ходимыми, как и для конструкций, воспринимающих большие силы обработки.

Концептуальное положение теории надежности: создавая новую

конструкцию, инженер обязан не только руководствоваться традици-

онными критериями прочности, кинематики, но и уметь предвидеть все

возможные факторы отклонений, их предупреждения и локализации.

Надежность машин не остается постоянной во времени. На рис. 4.8

показана типовая зависимость интенсивности отказов машины от прора-

ботанного времени (N лет), которая позволяет отметить ряд периодов:

I – период пуска и освоения, когда прежде всего проявляется дейст-

вие систематических факторов, в первую очередь погрешностей сборки и

наладки, а также недостаточной квалификации обслуживающего персо-

нала;

Глава 4. НАДЕЖНОСТЬ МАШИН