4 Надежность технологических процессов

Надежность изделия или системы является качественным показателем, определяемым вероятностью того, что объект является работоспособным в данный период времени. Технологический процесс является системой, составными частями которой являются операции, а составными элементами операции являются оператор, заготовка, оборудование, технологическая оснастка, информация, энергия, вспомогательные материалы и др. Показателем надежности обладают операции и все ее составные элементы.

В соответствии с принятой терминологией надежность всего объекта или его частей определяется как свойство, которое в зависимости от назначения и условий эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность, и сохраняемость.

Безотказность часто выступает как основной показатель надежности в виде коэффициента безотказности Р_н ≤ 1, который определяется вероятностью того, что за период времени t при регламентированных режимах работы и условиях эксплуатации объекта отказ в нем не произойдет. Иначе говоря, работа будет безотказной, если время от начала работы объекта до первого отказа будет большим, чем заданное время t. Например, изготовленный станок с ЧПУ проходит испытания на безотказность работой по тестовой программе в течение 24-х часов.

Показателем долговечности объекта служит коэффициент Р_д ≤ 1, который равен коэффициенту технического использования, взятому за весь срок эксплуатации объекта:

Р_д = ,

где Тр – время работы объекта за весь период эксплуатации;

Στ_п – суммарное время простоев объекта из-за отказов за весь период эксплуатации.

Если, например, у металлорежущего станка Р_д = 0,94, то это означает, что за весь период эксплуатации, равный сроку службы, станок 6% времени находится в ремонте, а остальное время работает. Для металлорежущих станков срок службы равен 10-ти годам. За этот период станкам проводят техническое обслуживание и два текущих ремонта. Через 10 лет – капитальный ремонт, в ходе которого полностью восстанавливают все исходные показатели точности и работоспособности.

Ремонтопригодность оценивается сроком восстановления работоспособного состояния после аварии и затратами на проведение восстановительного ремонта, а сохраняемость – календарным сроком сохранения объектом своих качеств и затратами на осуществление этого показателя.

Если рассмотреть график, по горизонтальной оси которого отложена продолжительность службы объекта, а по вертикальной интенсивность отказов (вероятность отказов в единицу времени), то можно увидеть, что в первоначальный период интенсивность отказов достаточно велика, но со временем падает. Этот период называется приработкой. Затем наступает период нормальной эксплуатации, в течение которого число отказов является постоянным. Через определенное время в результате износа число отказов начинает возрастать. В какой-то момент эксплуатацию объекта необходимо прекратить во избежание возникновения аварийной ситуации. Необходим либо ремонт, либо замена объекта целиком.

Если система состоит из нескольких элементов, то ее безотказность зависит от безотказности отдельных элементов. Возможны два различных случая по аналогии с электрической цепью:

1. элементы связаны между собой последовательно;

2. элементы связаны между собой параллельно.

Последовательным называют такое соединение, при котором отказ хотя бы одного элемента выводит из строя всю систему. При параллельном соединении система выйдет из строя только при отказе всех элементов.

При последовательной связи безотказность системы Р_посл равна произведению безотказности ее отдельных элементов Р₁,Р₂,…Р_i.

Р_посл =

Например, если безотказность каждого из элементов системы равна 0,95, то безотказность всей системы из двух элементов будет равна 0,9025, а из трех элементов – 0,857. Общая надежность системы всегда ниже надежности самого слабого элемента.

Надежность системы из двух параллельно соединенных элементов Р_2парл выражается следующей формулой:

Р_2парл = Р₁ + Р₂ – Р₁∙Р₂,

где Р₁ и Р₂ – безотказность каждого из элементов.

При параллельном соединении двух элементов с безотказностью 0,95 безотказность системы равна 0,9975, т.е. выше безотказности каждого отдельного элемента, а в общем случае выше безотказности самого лучшего элемента.

Рассмотренные примеры позволяют понять сущность резервирования – метода введения в систему дополнительных избыточных элементов сверх минимально необходимых для выполнения заданных функций.

Рассмотренные теоретические сведения позволяют обусловить направления работы по повышению надежности технологических процессов.

1. Более надежным будет тот технологический процесс, в котором будет использовано меньшее число элементов. Это достигается при уменьшении числа операций, т.е. при интеграции обработки. Автоматически уменьшается число рабочих мест, операторов, станков, крепежных приспособлений, транспортировок.

2. Использование резервирования путем создания возможности выполнять одну и ту же работу на разных рабочих местах. Наилучшие условия реализации этого подхода создает использование станков с ЧПУ. Универсальность этих станков и их широкие возможности позволяют выполнять на них самые разнообразные работы. Даже если на производственном участке размещены станки с ЧПУ разных моделей, это не препятствует переброске работы с одного станка на другой в случае остановки первого в связи с технической неисправностью.

Резервировать нужно и станочные приспособления. Это не отжившее себя дублирование, когда в инструментальной кладовой в обязательном порядке хранились специальные приспособления-дублеры, потребность в которых возникала при выходе из строя любого из основных приспособлений. Современный подход заключается в использовании универсальных, универсально-сборных, и групповых переналаживаемых приспособлений.

Резервирование операторов состоит в том, что в технологических процессах одного производственного подразделения отсутствуют уникальные операции-одиночки, выполнение которыми владеют единственные рабочие.

3. Повышение надежности отдельных элементов является довольно действенным способом повышения надежности всего технологического процесса, о чем свидетельствуют приведенные формулы. Если представление о надежности станков и технологической оснастки не нуждается в подробном разъяснении, то отнесение термина «надежность» к человеку может потребовать некоторого разъяснения. Надежный работник не нарушает трудовую дисциплину, добросовестно выполняет все возложенные на него обязанности и данные ему поручения. Он психологически устойчив и не впадает в депрессию при неудачах, также он не предается излишней эйфории при успехах. Он имеет хорошее физическое здоровье, которое позволяет ему полноценно трудиться весь трудовой день и весь календарный год.

4. Проектировать технологические процессы с минимальным использованием последовательных связей элементов. Представим себе технологический процесс обработки зубчатых колес, в котором после зубофрезерования выполняется зубошевингование, затем закалка ТВЧ и финишная обработка отверстия и торцов. Конечный параметр качества – плавность работы зубчатых венцов зависит от большого числа последовательно связанных параметров различных элементов. Качество зубофрезерования определяется состоянием зубофрезерного станка, качеством фрезы, точностью ее заточки (радиальности), качеством материала и подготовки заготовки, качеством закалки.

При переходе на иную технологию – зубошлифование, общее число параметров сокращается, а последовательные связи почти полностью отсутствуют. Нужно иметь точный станок, точную оснастку для установки заготовки, хорошо подготовленную заготовку и обученного оператора. Все перечисленные элементы независимы друг от друга, что определяет отсутствие последовательных связей.

Характер связей между параметрами технологического процесса отражается на точности обработки. Рассмотрим технологический процесс, состоящий из нескольких операций.

Некоторые параметры качества на определенной операции вплоть до последней зависят от параметров качества предыдущей операции. Работает закон наследования погрешностей. Это заставляет технологов серьезно относиться к назначению допусков на параметры промежуточных операций. Если требования будут занижены, то это отразится на точности последующих операций и сделает технологический процесс ненадежным. Чрезмерное завышение требований экономически нецелесообразно, так как это чрезмерно удорожит технологический процесс.

В других случаях, параметры качества возникают на финишной операции и формируют показатели качества изделия. Именно при таком подходе обеспечивается надежность технологических процессов.

5. На этапе освоения нового технологического процесса происходит его приработка. Происходят более частые отказы техники, так как происходит ее обкатка. Усугубляются трудности тем, что у персонала не хватает знаний всех особенностей технологии и каждого из ее элементов. Объективные трудности, связанные с пониженной надежностью технологического процесса на начальном этапе его функционирования, усугубляются субъективными, природой которых является «психологический фактор». Интересы предприятия, такие как повышение производительности, сокращение расхода материалов и энергии, экология, не всегда совпадают с интересами рядового исполнителя, которому предлагают отказаться от старого технологического процесса и начать работать по-новому.

Нужно понимать, что период приработки завершится тем скорее, чем больше труда будет уделено восстановлению работоспособности каждого вышедшего из строя элемента. Допускают ошибку те руководители предприятий, которые повышенное число отказов в период приработки воспринимают, как нечто сверхординарное, и готовы отказаться от нового технологического процесса, объявляя его ненадежным.