3.2.4. Системы управления надежностью

Управление надежностью есть совокупность действий, выбранных на основании определенной информации и направленных на установление, обеспечение и поддержание необходимого уровня надежности объекта при его разработке, производстве и эксплуатации (включая ремонт), осуществляемых путем систематического контроля параметров надежности и целенаправленных воздействий на условия и факторы, влияющие на надежность.

Обеспечение надежности определяет необходимость решения комплекса технических, экономических, организационных, социальных, психологических и других проблем. В связи с этим важнейшее значение для обеспечения надежности имеет системный подход.

Можно выделить четыре группы мероприятий по повышению надежности ТС при их проектировании: системные, структурные (схемные), конструктивные, эксплуатационные.

К системным методам относятся организационно-экономические мероприятия по стимулированию повышения надежности и ряд технических мероприятий.

Одним из путей стимулирования повышения надежности является включение в стоимость ТС затрат на гарантийный ремонт и обслуживание. При этом разработчик учитывает, что при повышении надежности уменьшаются затраты на гарантийный ремонт и обслуживание, т.е. прибыль становится наибольшей при определенном значении показателя надежности, превышающем максимально допустимый уровень. В этом случае разработчики и изготовители ТС стремятся узнать этот уровень и достигнуть его.

Следовательно, стимулируются точные оценки надежности и ее повышение.

Технические мероприятия по оформлению показателей надежности проектируемых ТС необходимы при любой системе взаимоотношений заказчика и разработчика. К техническим мероприятиям относятся учет внешних воздействий на проектируемые ТС:

а) рабочие (температурный режим, агрессивная среда и т.п.);

б) климатические (температура, влажность, примеси в воздухе);

в) биологические (грибок или плесень, насекомые и т.п.).

Структурные (схемные) методы объединяют мероприятия по повышению надежности ТС путем совершенствования принципов из построения.

Эти методы различаются большим разнообразием и интенсивно развиваются. К ним относятся, например, варианты построения ТС, нечувствительных к появлению отказов, за счет введения избыточных аппаратурных и программных средств. При этом могут использоваться и аппаратные (например, резервированные) и программные (например, сравнение результатов избыточных вычислений) средства. В ряде случаев также могут применяться и аппаратно-программные средства обнаружения отказов элементов и восстановления ТС.

К конструктивным методам относятся мероприятия по созданию или подбору элементов, узлов или блоков ТС, созданию благоприятных режимов работы, принятию мер по облегчению ремонта и т.д.

Время устранения отказа можно существенно уменьшить путем построение ТС по блочно-узловому способу. При этом все ТС разбивают на отдельные функционально законченные блоки, которые в электронных системах соединяются между собой кабелями, а в механических – связываются кинематически. Блоки в свою очередь разбиваются на функционально законченные узлы, выполняемые в виде легкосъемных конструкций. При таком построении ТС восстановление состоит в замене вышедших из строя блоков или узлов, что значительно ускоряет процесс ввода ТС в строй. Осуществление блочно-узловых конструкций тесно связано с унификацией элементов и систем, которая производится на основе отбора наиболее надежных вариантов. При этом не только повышается надежность ТС, но и снижается их стоимость, и упрощается изготовление. В ряде случаев удается создать очень сложные системы из элементов всего двух-трех типов.

Планирование эксплуатационных мероприятий на стадии проектирования ТС состоит в разработке системы эксплуатационного обеспечения. Проектирование ТС при этом должно осуществляться в соответствии с номенклатурой работ по техническому обслуживанию. Например, для планирования периодического регулирования определяющих параметров ТС необходимо предусмотреть возможность контроля и прогнозирования значений этих параметров и т.д.

Структурные (схемные) и конструктивные методы повышения надежности являются основными для обеспечения соответствующего уровня надежности разрабатываемых ТС.

В первую очередь надежность ТС достигается за счет использования высоконадежных элементов.

Вторым путем повышения надежности является обеспечение оптимальных режимов работы.

Одним из наиболее эффективных средств повышения надежности является резервирование, т.е. введение избыточности.

Опыт использования различных методов резервирования в ТС показывает, что постоянное резервирование может использоваться по отношению к отдельным элементам или схемам. Для сложных ТС обычно применяется резервирование замещением, которое также используется и для отдельных устройств.

Одним из специальных методов повышения надежности является использование самонастраивающихся и самоорганизующихся систем.

Особенно важным является принцип самоорганизации. Для его реальзации создаются, например, такие САУ и АСУ, которые способны изменять свою структуру в процессе функционирования.

Эффективным методом повышения надежности является восстановление отказавших ТС. Здесь основным вопросом является обнаружение факта отказа и поиск отказавших элементов. Такая задача может быть решена с помощью диагностирования ТС, например, при использовании автоматизированных систем контроля, где в качестве основного центрального звена применяется ЭВМ, обеспечивающая проверку большого числа контрольных точек в течение небольшого промежутка времени.

Большое значение для обеспечения надежности имеет качество изготовления ТС, которое определяется технологической дисциплиной, организацией контроля на всех стадиях проектирования, производства, проведения испытаний, качеством комплектующих и материалов. Здесь также имеет большое значение качество эксплуатации, принятая система технического обслуживания, обеспечение комплектами ЗИП и его пополнение, подготовленность обслуживающего персонала и ряд других факторов.

Системы управления надежностью применительно к специфике производства и эксплуатации двигателей разработаны и применяются практически всеми зарубежными и отечественными фирмами и предприятиями.

На всех крупных автомобильных предприятиях и на заводах, изготавливающих двигатели, имеются службы исследования надежности.

В их обязанности входят: расчет надежности двигателей, их узлов и деталей; анализ поступающей на завод информации; выявление причин отказов и неисправностей; исследование влияния условий эксплуатации на надежность; разработка средств повышения надежности выпускаемых и проектируемых двигателей; осуществление взаимосвязи между работниками эксплуатации, производства и научных организаций.

Все мероприятия в данной области регламентируются программами обеспечения надежности (ПОН) и стандартами (государственными, отраслевыми и предприятий).

Предприятия автомобильной промышленности достигли определенных успехов в повышении надежности двигателей. Однако затраты на поддержание их надежности в эксплуатации еще весьма велики.

Надежность должна оцениваться не только техническими, но и экономическими показателями, учитывающими затраты на ее поддержание.

Как правило, расходы в производстве на повышение надежности окупаются в эксплуатации.

Конструктивные методы обеспечения надежности вновь создаваемых и модернизируемых двигателей на этапе их проектирования выполняются по схеме выполнения основных работ. Они находят свое отражение в конструкторской документации. Конструктивные методы и средства, направленные на повышение надежности двигателей, подразделяются на ряд категорий.

Рационализация конструктивной схемы двигателя. При разработке конструкции проектировщик обычно встречается с противоречивыми данными и вынужден искать компромиссные решения.

Чем проще конструктивная схема узла или механизма, тем он дешевле, тем меньше вероятность преждевременных отказов, тем больше их эксплуатационная надежность. Однако современные требования к токсичности отработавших газов, шумности, автоматизации регулирования, контролепригодности и другим показателям вынуждают усложнять конструкцию. Компромиссные решения приходится принимать при выборе отношения хода поршня к диаметру цилиндра, материалов деталей и т. п.

За последние годы в автомобильном двигателестроении все большее применение находят прогрессивные материалы. Для производства корпусных деталей (блоки цилиндров, головки блоков и др.) применяют чугун с добавкой олова, алюминиевые сплавы, для гильз цилиндров - износостойкий чугун. Соответствующие материалы используют для деталей, работающих в условиях высоких температур; для поршней - высококремнистые алюминиевые сплавы, для выпускных клапанов - азотсодержащие и другие жаростойкие стали; для поршневых колец - чугун с глобулярным графитом; для втулок клапанов - металлокерамику на железной основе с добавлением меди, графита и дисульфида молибдена. Металлокерамика находит также применение при изготовлении шестерен масляных насосов, поршневых колец.

Применение пластмасс развивается на новой основе - в виде композиционных материалов с армирующими элементами для повышения прочности.

Выбор зазоров в сопряжениях деталей производится на основании расчетов и выбора соответствующих аналогов, а их уточнение осуществляется экспериментальным путем. Для выбора оптимального зазора часто требуется длительная экспериментальная работа. В настоящее время зазоры в сопряжениях, а вместе с ними и толщину масляного слоя удается замерять экспериментально в процессе работы двигателя.

Топлива, смазочные материалы и технические жидкости назначаются конструктором и заносятся в руководство по эксплуатации и другую конструкторскую документацию.

Для очистки топлив используют бумажные фильтрующие элементы. С целью повышения моторесурса двигателей проблема наилучшей очистки масла решается применением комбинированной очистки - частично поточной центрифуги и полнопоточного бумажного фильтра. Имеются основания полагать, что совместно с другими мероприятиями улучшение очистки масла позволит повысить ресурс двигателей на 20...25 %.

До последнего времени в основном применялись воздушные фильтры инерционно масляного типа, обеспечивающие степень очистки воздуха до 98,3.. 98,8 %. Современные эффективные двух ступенчатые воздухоочистители сухого типа с эжекционным отсосом пыли обеспечивают степень очистки 99,6...99,9 %.

Предотвращение возможности аномалий процесса сгорания и различного рода разрегулировок двигателя. Детонационное сгорание, калильное зажигание, повышенная жесткость работы двигателя и другие отклонения от нормального процесса сгорания в двигателях снижают их долговечность и вероятность безотказной работы. В процессе доводки установление оптимальных характеристик рабочего процесса и регулирующих органов являются важной составной частью проектирования. Контроль за сохранением заданных регулировок в ходе эксплуатации производится в основном во время ТО. Установка датчиков и контрольно-измерительных приборов, которые позволили бы осуществлять контроль во время работы двигателя, была бы полезным конструктивным средством повышения надежности. Такие датчики и приборы должны указывать температуру наиболее горячих точек двигателя, фиксировать появление и интенсивность детонационного сгорания и калильного зажигания, характеризовать жесткость работы двигателя и другие отклонения от нормального процесса сгорания, засоренность фильтров, шумность, состав отработавших газов и др.

Желательно также наличие датчиков, фиксирующих угар масла и прорыв газов в картер двигателя, характеризующих его техническое состояние. По этим параметрам можно было бы прогнозировать предельное состояние двигателя. В настоящее время некоторые из упомянутых приборов начинают находить применение на двигателях.

Конструкционные и эксплуатационные стремления по повышению уровня ремонтопригодности и контролепригодности узлов и механизмов двигателя. Ремонтопригодность двигателей - составная часть их надежности. Автомобильная промышленность уделяет большое внимание улучшению этих свойств. Они включают в себя удобство в проведении технических обслуживании и ремонтов, снижение их трудоемкости и стоимости, а также приспособленность деталей к восстановлению. Согласно ЕСКД, на конструкторскую службу возлагается выпуск эксплуатационной и ремонтной документации. Однако автомобильные и моторные заводы пошли дальше, разрабатывая также технологию восстановления деталей и создавая ремонтные производственные подразделения.

Резервирование. Важное средство повышения надежности - сокращение числа деталей в изделии. Простота - важное условие надежности. Дело в том, что в двигателе (как и в автомобиле в целом) отказ одной из деталей часто приводит к отказу всего двигателя. Например, отказ толкателей или поломка пружины клапана означает отказ двигателя. Такое соединение деталей, когда отказ одной из них вызывает отказ машины в целом, называется последовательным. Если вероятность безотказной работы каждого из n элементов (деталей) равна Р1, Р2,…Рn, то вероятность того, что все они одновременно не откажут, т.е. вероятность безотказной работы двигателя в целом, Р=Р1*Р2*…*Рn (рис. 17).

Рис. 17. Графы состояний при ненагруженном (а) и нагруженном (б) резервировании замещением и параллельном соединении элементов (в) с двумя типами отказов

При большом увеличении числа деталей даже в случае высокой надежности каждой из них вероятность безотказной работы машины в целом резко снижается.

Одним из методов повышения надежности является резервирование, т. е. введение в конструкцию избыточных (запасных) элементов. Эти элементы включаются в работу параллельно.

Нагруженный резерв - когда резервный элемент работает в том же режиме, что и основной. В двигателях и автомобиле в чистом виде такой резерв применяется крайне редко. Можно с некоторым приближением отнести к такому методу резервирования раздельную систему тормозов, когда приводы на передние и задние колеса действуют независимо. К такому методу резервирования приближается установка например, двух клапанных пружин.

Облегченный резерв - резервный элемент работает в менее нагруженном режиме.

Ненагруженный резерв - резервный элемент не несет нагрузки. В этом случае таким резервом является любая возимая запасная часть, например запасное колесо, свеча и т.д.