Волчкевич Л.И. Автоматизация производственных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

141

II – период стабильной

эксплуатации, когда интенсив-

ность отказов определяется в

основном случайными факто-

рами;

III – период старения ма-

шины, когда доминирующими

становятся процессы износа

сопрягаемых поверхностей,

старения конструкционных ма-

териалов и т.д.

Интересно, что кривая на

рис. 4.8 была известна задолго

до создания теории надежности

из медицинской статистики как "кривая смертности" по возрастным кате-

гориям, где I – период детства; II – период зрелости; III – период старос-

ти, с аналогичными, по сущности, факторами возникновения отказов (ге-

нетическая предрасположенность, старение организма и т.д.).

4.2. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

Надежность машин обусловливается такими свойствами, как безот-

казность, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость. Показате-

ли надежности можно разделить на две категории:

– единичные, которые характеризуют лишь одно свойство, на-

пример, только безотказность или только долговечность;

– комплексные, характеризующие несколько свойств.

Показатели безотказности. Безотказность – свойство объекта не-

прерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого

времени или наработки. Чем реже отказы в работе, тем выше безотказ-

ность. Согласно определению, основным показателем безотказности яв-

ляется вероятность Р того, что машина после включения проработает без-

отказно некоторое время t. Так, Р (50) = 0,8 означает: вероятность того, что

машина проработает 50 мин после включения, составляет 80 %. Про-

стейшие испытания приборов на безотказность заключаются, например, в

том, что 100 приборов ставятся параллельно на испытания и включаются

в работу, после чего через желаемые промежутки времени определяется

число отказавших и продолжающих работать. В упомянутом случае через

50 мин 20 приборов уже отказали (в любом интервале времени от 0 до

50 мин), а 80 продолжают работать, т.е. их отказы наступят после 50 мин.

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

Рис. 4.8. Интенсивность отказов

во времени эксплуатации машин:

∆N – срок исследования надежности

142

Безусловно, вероятность безотказной работы Р зависит от величины

t. Функциональная зависимость вероятности Р(t) получила наименование

"функция надежности" (правильно было бы назвать "функция безотказ-

ности", но термин утвердился). Это первый из показателей безотказно-

сти. Некоторые характеристики этой функции:

1) P(0) = 1, т.е. любое техническое средство должно включаться в

исправном состоянии;

2) P(∞) = 0, т.е. любое техническое средство рано или поздно будет

иметь отказы в работе.

Это одно из концептуальных положений теории надежности, отлич-

ное, например, от концепций сопротивления материалов, где подразуме-

вается, что если напряжения в материале меньше предельных, то конст-

рукция проработает вечно.

Между этими крайними условиями реальные показатели функции

надежности имеют убывающий асимптотический характер (рис. 4.9).

Теоретическая функция надежности – это специально подобранная мате-

матическая зависимость P(t) = f(t). Таких математических кривых, у ко-

торых теоретические значения достаточно хорошо совпадают со стати-

стическим распределением (см. рис. 4.9), можно подобрать немало.

В теории надежности обычно используется формула

Рис. 4.9. Статистическая и вероятностная функции надежности

Глава 4. НАДЕЖНОСТЬ МАШИН

143

ω−

= e)( , (4.1)

где е – основание натуральных логарифмов; ω – так называемый пара-

метр потока отказов как характеристика их интенсивности.

При этом подразумевается, что и P(t), и ω являются "мгновенными"

показателями безотказности, т.е. характеризуют ее в конкретный момент

времени. Это правомерно, так как период наблюдений ∆N, когда числен-

но оцениваются эти значения, несоизмеримо меньше, чем время любого

из периодов функционирования N

, N

III

(см. рис. 4.8). За период

∆N = 16…20 рабочих смен (такова обычная длительность наблюдений) не

успевают измениться уровень изношенности механизмов и устройств, ква-

лификация наладчиков и другие факторы, определяющие уровень отказов.

Величина ω есть второй показатель безотказности, который можно

исчислять как в календарном времени, так и в отработанных рабочих

циклах. Так, ω = 0,015 означает, что при работе машины возникает в

среднем 1,5 отказа за 100 мин, т.е. размерность ω будет отказ/мин.

Количественно это выражается цифрами, существенно меньшими

единицы, что весьма некомфортно для восприятия.

Заметим, что психологически человек наиболее осязаемо восприни-

мает цифры в диапазоне 1…100.

Поэтому более приемлема величина, обратная ω, а именно:

ω= 1

ср

m , (4.2)

где

ср

m – среднее время между отказами, или средняя наработка на один

отказ (показатель безотказности).

Действительно,

66015,011

ср

==ω=m мин/отказ, т.е. один отказ в

среднем за 66 мин.

Тогда функцию надежности можно представить в виде

ср

)(

−

= e . (4.3)

Значения ω и

ср

m могут выражаться не только в абсолютном време-

ни функционирования машины, но и в отработанных рабочих циклах, что

следует оговаривать при конкретных расчетах.

Показатели ремонтопригодности. Ремонтопригодность – свойст-

во объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и вос-

становлению работоспособного состояния путем технического обслужи-

вания и ремонта.

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

144

Чем меньше время обнаружения и устранения отказов, тем выше

ремонтопригодность.

Длительность простоев для обнаружения и устранения отказов явля-

ется такой же случайной величиной, как и длительность безотказной ра-

боты.

Для оценки ремонтопригодности существует ряд показателей. Ос-

новной из них – среднее время восстановления работоспособности τ

–

аналогичен

ср

m .

Комплексные показатели надежности интегрируют показатели и

безотказности, и ремонтопригодности. Комплексным показателем на-

дежности является коэффициент технического использования. В соответ-

ствии с формулой (3.11)

вц

сср

тех

τω

Θ+Θ

=η

∑∑

. (4.4)

Как видно, здесь нашли отражение и интенсивности отказов, и бы-

строта их устранения, и интенсивность работы самой машины. Интен-

сивность отказов исчисляется в рабочих циклах (ω

Также комплексным показателем являются собственные внецикло-

вые потери

∑

t , мин/шт. [см. формулы (3.10) и (3.19)]:

∑

где

∑

– суммарные собственные простои машины за некоторый пе-

риод времени; z – число изделий выданных машиной за этот же период.

Если за произвольной период времени было х отказов, а следова-

тельно, х периодов безотказной работы, то

ср.цвс

;

==τ=Θ

∑

xmzx

;

∑

ср.ц

Показатели долговечности. Долговечность – свойство объекта со-

хранять работоспособное состояние до наступления предельного состоя-

ния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Это в отличие от безотказности и ремонтопригодности "интеграль-

ное" свойство, которое характеризует весь процесс функционирования во

времени. Ведь именно процессы монотонного увеличения интенсивности

Глава 4. НАДЕЖНОСТЬ МАШИН

145

отказов и длительности их устранения (несмотря на ремонты и межре-

монтное обслуживание) приводят к тому, что объекты становится невоз-

можно или нецелесообразно использовать далее. Долговечность оценива-

ется несколькими показателями.

Важнейший показатель долговечности – это технический ресурс R –

суммарное время от начала эксплуатации до предельного состояния.

Технический ресурс деталей, сопряжений, механизмов и устройств

оценивается по физическому износу, предельное состояние означает не-

возможность дальнейшей эксплуатации, после чего должен следовать

либо восстановительный ремонт, либо замена.

Пример 4. Призма автомата сборки электронной оптики (см. рис. 4.2)

перемещается в направляющих при наличии некоторого зазора ∆(∆

max

≥ ∆ ≥ ∆

min

Минимальный зазор (∆

min

> 0) обеспечивает возможность скольжения поверхно-

стей без задиров и заклиниваний, он несет смазку, в нем собираются продукты

износа при трении (часто ∆

min

называют "грязевым зазором"). Максимально до-

пустимый зазор ∆

max

определяется потерей стабильности работы сопряжения,

ухудшения жесткости и стабильности положения с возникновением перекосов,

вибраций и т.п., а следовательно, отказами от несоосности ε > 0 (см. рис. 4.2).

Между тем, в процессе эксплуатации машины зазор ∆ не остается стабиль-

ным, он увеличивается ввиду износа сопряжения (рис. 4.10), достигая через неко-

торое время R

предельного состояния (∆

max

). После этого выполняется ремонт,

который в простейшем случае сводится к восстановлению первичного зазора

(∆ = ∆

min

) посредством регулировочного клина (на рис. 4.2 зачернен).

Рис. 4.10. Зависимость увеличения зазора

в направляющих от времени эксплуатации

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

146

Далее следует новый период эксплуатации, вновь до предельного состояния

(∆ = ∆

max

Заметим, что интенсивность износа и время достижения предельного со-

стояния являются случайными величинами (см. рис. 4.10), хотя эксплуатируется

одно и то же сопряжение.

В итоге

)(

Rf есть распределение плотности вероятности времени дости-

жения предельного состояния

∆ = ∆

max

. Среднестатистическая величина R и есть

по определению показатель долговечности – технический ресурс данного сопря-

жения. При достаточном числе измеренных реализаций представляет интерес

размах значений:

min

R и

max

R .

Для машины в целом технический ресурс – это общая длительность

чистого проработанного времени (исключая время ремонта и любых дру-

гих простоев), которая может определяться как физическим, так и мо-

ральным износом.

Чем сложнее система, тем менее заметным становится зависимость

ее выходных параметров – качества обработки, производительности, эф-

фективности использования – от технического состояния конкретных

элементов (степени изношенности деталей и сопряжений, качества по-

верхностного слоя и т.д.); эти связи приобретают корреляционный харак-

тер с весьма малой теснотой связи.

Даже в токарном многошпиндельном автомате, где точность обра-

ботки зависит от состояния целого комплекта механизмов и устройств

(шпиндельный блок, механизмы зажима, фиксации, продольного и попе-

речного суппортов и т.д.), трудно выделить один или два элемента, износ

которых определял бы долговечность автомата как системы. Тем более

не может быть таких определяющих элементов в автоматических линиях,

где производительность и качество изделий зависят от десятков меха-

низмов и устройств, сотен инструментов, которые содержат тысячи сты-

ков, сопряжений, контактных поверхностей, поверхностей трения.

Поэтому при анализе долговечности сложных систем необходимо

исследовать не только процессы изнашивания, но и их последствия, в

конечном счете – изменение качества продукции, производительности

машин и их экономических показателей в ходе эксплуатации.

Опыт эксплуатации различных типов оборудования показывает, что

первоначальная точность обработки, обусловленная жесткостью, вибро-

устойчивостью, геометрической точностью узлов, режимами обработки,

качеством заготовок, сохраняется лишь в течение определенного периода

времени. В дальнейшем вследствие процессов изнашивания, снижения

жесткости и геометрической точности механизмов и сопряжений по-

Глава 4. НАДЕЖНОСТЬ МАШИН

147

грешности обработки увеличи-

ваются, что не может быть в

полной мере локализовано при

выполнении планово-предупре-

дительного ремонта.

На рис. 4.11 показана диа-

грамма точности обработки на

токарно-револьверных автома-

тах с различной длительностью

эксплуатации. Как видно, новые

токарно-револьверные автома-

ты обеспечивают обработку

изделий с погрешностью не

более δ = 30…40 мкм, что со-

храняется на протяжении 6…

7 лет; после 15 лет эксплуата-

ции δ ≥ 200 мкм, далее обеспе-

чивается точность только сво-

бодных размеров. Если считать δ

max

= 200 мкм, то технический ресурс по

точности R = 15 лeт.

Если в конкретной ситуации допустима погрешность, например,

max

= 100 мкм, то срок ее достижения и есть технический ресурс данной ма-

шины (согласно рис. 4.11 R = 13 лет).

Под моральным износом понимают процесс, когда машина сохра-

няет возможности получения продукции, отвечающей требованиям каче-

ства, но ее эксплуатация становится экономически неэффективной ввиду

низкой производительности, чрезмерных эксплуатационных затрат. От-

сюда и выражения "машина морально устарела", "морально устаревшее

оборудование".

Первым критерием морального износа-старения машины является

снижение выпуска, что можно оценить изменением количества выпус-

каемой продукции (производительности) или комплексного показателя

надежности (коэффициента технического использования).

Длительность периода стабильной эксплуатации определяется ин-

тенсивностью процессов изнашивания, которые зависят от технологиче-

ских и динамических сил, возникающих при эксплуатации машин; изно-

соустойчивости конструктивных материалов и т.д. Чем выше интенсив-

ность использования машины в процессе эксплуатации, меньше длитель-

ность рабочего цикла, больше динамические нагрузки, тем меньше пери-

од стабильной эксплуатации.

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

Рис. 4.11. Погрешности обработки дета-

лей на токарно-револьверных

автоматах с различной длительностью

эксплуатации:

А, А

, А

– квалитеты точности

148

Период старения машины следует за периодом стабильной эксплуа-

тации вплоть до конца срока службы и определяется характером обору-

дования, его универсальностью. Специальное оборудование снимается с

эксплуатации при замене выпускаемых изделий; универсальное – вслед-

ствие достижения предельных состояний по физическому или морально-

му износу.

Так как сочетания перечисленных характеристик (отработанности

конструкции, интенсивности использования, универсальности и др.) для

различных типов оборудования различны, характер изменения показате-

лей работоспособности во времени в течение сроков службы носит не-

одинаковый характер.

На рис. 4.12 показаны типовые диаграммы изменения во времени

коэффициента технического использования некоторых типов автоматов и

автоматических линий.

Глава 4. НАДЕЖНОСТЬ МАШИН

Рис. 4.12. Основные этапы экс-

плуатации оборудования раз-

личных типов:

а – универсальные автоматы и

полуавтоматы; б – специальные

автоматы и полуавтоматы для

стабильной продукции; в – то же,

для продукции с ограниченным

сроком выпуска

149

Для универсальных автоматов (см. рис. 4.12, а), например токарных,

период пуска и освоения весьма короток (меньше года) и связан лишь с

квалификацией наладчиков и устранением некоторых дефектов изготов-

ления и сборки конкретных образцов. Так как в автоматах имеются зна-

чительные динамические нагрузки при выполнении рабочих и холостых

ходов, период стабильной эксплуатации также продолжается примерно

10 лет и менее, после чего следует старение машин. Оно в итоге может

занимать более половины общего срока службы, поскольку универсаль-

ные автоматы эксплуатируются до 25 лет и более.

С увеличением длительности эксплуатации, несмотря на занижение

режимов, число подналадок и процент бракованных изделий увеличива-

ются. В результате производительность автоматов, работающих 25…

28 лет, составляет не более 55…60 % производительности новых автома-

тов, что само по себе, без дальнейших экономических расчетов свиде-

тельствует о нецелесообразности столь длительных сроков эксплуатации.

Специальные автоматы, в том числе автоматы, встроенные в авто-

матические линии, имеют менее длительные сроки службы (см. рис. 4.12,

б) и при этом период пуска и освоения занимает уже не несколько меся-

цев, а 2…3 года и более. Если при этом автоматы работают с высокой

интенсивностью, длительность периода стабильной эксплуатации неве-

лика.

Иные закономерности существуют для автоматов и линий, компо-

нуемых из нормализованных узлов (см. рис. 4.12, в). Хорошая отработан-

ность конструкций составляющих элементов, типовые компоновочные

решения позволяют ограничить период пуска и освоения, который опре-

деляется лишь технологическими параметрами и исходным уровнем ква-

лификации наладчиков.

Так как интенсивность использования агрегатных станков и линий

из них невысока (Т = 1…2 мин), а узлы обладают высокой жесткостью с

хорошей отработкой конструкции сопряженных поверхностей, то про-

цессы износа протекают медленно и локализуются путем повышения

квалификации наладчиков, освоения технологии и т.д. Показатели рабо-

тоспособности сохраняются на стабильном уровне в течение длительного

периода с общей тенденцией к повышению. А поскольку общие сроки

службы ограничиваются длительностью периода выпуска данных изде-

лий (N = 10…15 лет), то период старения и снижения показателей рабо-

тоспособности может и не наступить.

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

150

Наиболее полная оцен-

ка долговечности машины

по критерию морального

износа может быть сделана

по экономическим критери-

ям путем сопоставления

дохода от эксплуатации –

цены выпущенной продук-

ции (Ц) и издержек экс-

плуатации (С), которые не-

обходимы для такого вы-

пуска.

На рис. 4.13 приведены

в едином масштабе величи-

ны стоимости продукции в

денежных единицах Ц (ли-

ния 1) и эксплуатационных

затрат С (линия 2) во вре-

мени эксплуатации автома-

тов.

Диаграмма показывает, что в первые годы эксплуатации, когда тех-

нические характеристики достаточно высоки (производительность, точ-

ность обработки), эксплуатация автомата высокоэффективна. Однако в

дальнейшем полезная отдача уменьшается, а расходы растут; в результа-

те стоимость выпущенной продукции уже не покрывает эксплуатацион-

ных затрат, автоматы становятся для предприятия убыточными (при

N > N

опт

показатель Ц < С).

Как видно из диаграммы, это наступает значительно раньше, чем ав-

томат перестает удовлетворять точностным требованиям, что определяет

срок его физической годности N

max

, т.е. моральный износ наступает

раньше физического.

Здесь N

max

= 15 лет – срок, когда автомат в состоянии выпускать

продукцию с погрешностью δ = 200 мкм (см. рис. 4.11).

Основные причины роста эксплуатационных затрат в процессе ста-

рения машин – это увеличение стоимости ремонта и зарплаты наладчи-

ков, так как нормы обслуживания приходится занижать. Поэтому важ-

нейшая мировая тенденция – менять оборудование не по физическому, а

по моральному износу.

Глава 4. НАДЕЖНОСТЬ МАШИН

Рис. 4.13. Изменение во времени цены вы-

пущенной за год продукции (Ц) и

годовых эксплуатационных затрат:

А, Б, В – периоды, когда автомат выпускает

продукцию в пределах квалитетов точности;

опт

– экономически оптимальный срок службы