20. Надежность мехатронных модулей

Надежность (общая) — свойство объекта (изделия) сохранять во времени в установленных пределах все параметры, обеспечивающие выполнение требуемых функций в заданных условиях эксплуаации.

Современные мехатронные модули состоят из различных взаи­модействующих механических, электромеханических, электронных и информационных устройств. Отказ в работе хотя бы одного эле­мента такой сложной системы может привести к нарушению рабо­ты всего мехатронного модуля.

В теории надежности рассматривают следующие обобщенные объекты:

изделие — единица продукции, выпускаемая данным предпри­ятием, цехом и т. д. (например подшипник, зубчатое колесо, элек­тродвигатель, мехатронный модуль, мехатронное устройство, про­мышленный робот);

элемент — простейшая при данном рассмотрении составная часть изделия, состоящая из одной или нескольких деталей;

система — совокупность совместно действующих элементов, предназначенная для самостоятельного выполнения заданных

функций.

Понятия элемента и системы трансформируются друг в друга в зависимости от поставленной задачи. Мехатронный модуль при ус­тановлении его собственной надежности рассматривают как систе­му, состоящую из отдельных элементов — преобразователей движе­ния, деталей и т.д., а при изучении надежности робота - как эле­мент.

Надежность характеризуют следующими основными состоя­ниями и событиями.

Работоспособность — состояние изделия при котором оно спо­собно нормально выполнять заданные функции.

Исправность - состояние изделия, при котором оно удовле­творяет всем не только основным, но и вспомогательным требова­ниям.

Неисправность — состояние изделия, при котором оно не соот­ветствует хотя бы одному из требований технической документа­ции. Различают неисправности не приводящие к отказам, и неис­правности и их сочетания приводящие к отказам.

Отказ - событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности. Их делят на отказы функционирования, при которых выполнение своих функций рассматриваемым элементом или объектом прекращается (например, поломка зубьев зубчатого колеса), и отказы параметрические, при которых некоторые параметры объекта изменяются в недопустимых пределах (на­пример, изменение точности работы мехатронного модуля). Отказы делят на внезапные (поломки от перегрузок, заедания), постепен­ные по развитию и внезапные по проявлению (усталостные разру­шения, перегорания ламп, короткие замыкания из-за старения изоляции) и постепенные (износ, старение, коррозия, залипание).

По причинам возникновения отказы делят на конструкцион­ные, вызванные недостатками конструкции, технологические, вы­званные несовершенством или нарушением технологии, и эксплуа­тационные, вызванные неправильной эксплуатацией.

Отказы в соответствии со своей физической природой бывают связаны с разрушением деталей или их поверхностей (поломки, выкрашивание, износ, коррозия, старение) или не связаны с раз­рушением (засорение каналов подачи рабочей жидкости в гидро­приводах, ослабление соединений, загрязнение или ослабление

электроконтактов).

По возможности дальнейшего использования изделия отказы разделяют на полные, исключающие возможность работы изделия до их устранения, и частичные, при которых изделие может час­тично использоваться.

По сложности устранения различают отказы, устранимые в по­рядке технического обслуживания, в порядке среднего или капи­тального ремонта и по месту устранения - устранимые в эксплуа­тационных и стационарных условиях.

По времени возникновения отказы делят на приработочные, возникающие в первый период эксплуатации, связанные с отсутст­вием приработки и с попаданием на сборку дефектных элементов; при нормальной эксплуатации (за период до появления износных отказов); износовые.

В период нормальной эксплуатации мехатронного модуля по­степенные отказы еще не проявляются и надежность характеризу­ется внезапными отказами. Эти отказы вызываются неблагоприят­ным стечением многих обстоятельств и поэтому имеют постоянную интенсивность, не зависящую от продолжительности предшест­вующей эксплуатации изделия:

,

где - постоянная интенсивность отказов; m_t — средняя наработка до отказа (обычно в часах). Тогда X выражают числом от­казов в час.

В этом случае вероятность безотказной работы:

Она подчиняется экспоненциальному закону распределения времени безотказной работы. Если, как обычно, t < 0,1, то

P(t)1-t

Плотность распределения:

Значения вероятности безотказной работы в зависимости от

(t)t	1	0,1	0,01	0,001	0,0001
P(t)	0,368	0,9	0,99	0,999	0,9999

Так как при вероятность P(t)=0,368, то 63,2% отказов возникает за время t <m_t и только 36,8% позднее. Для обеспечения вероятности безотказной работы 0,9 или 0,99 можно использовать только малую долю среднего срока службы (соответственно 0,1 или 0,01).

Если работа изделия происходит при разных режимах, а следо­вательно, и интенсивностях отказов ₁ (за время t₁) и ₂ (за время t₂), то:

Для определения на основании опытов интенсивности отказов оценивают среднюю наработку до отказа:

,

где N - общее число наблюдений (изделий); t_i - длительность i -го промежутка времени; К — число промежутков времени.

Тогда

.

Среднее число n изделий, которое выйдет из строя к заданному моменту времени при t < 0,1: nNt

и среднее число Np изделий, которые останутся работоспособными: N_pN(1-t)