Физика отказов

Под физикой отказов понимается не только физическая суть явлений, приводящих к отказам, но и кинетика этих явлений и процессов, т.е. их развитие под действием заданных условий или сил.

Надежность машин можно изучать лишь на основе анализа статистики отказов. Но этого мало, если помнить о главной цели науки о надежности – повышение надежности изделий.

Например, с помощью резервирования можно создать надежное изделие из малонадежных элементов. Этот путь широко используется в радиоэлектронике. В машиностроении этот путь простого дублирования часто является экономически нерациональным (два двигателя на легковой автомобиль не установишь). Поэтому необходимо работать над увеличением надежности самих элементов, т.е. деталей и их подвижных сопряжений – кинематических пар. В этом случае на первый план выступают инженерные методы расчета деталей в детерминированной форме, учитывающие физику процессов старения детали.

Занимаясь «физикой отказов» мы не будем изучать фундаментальные закономерности разрушения на уровне физических констант материала, таких, как атомный вес, строение молекулы. На сегодняшний день не достигнуто столь глубокое проникновение в суть процессов старения и разрушения. Поэтому «физика отказов» изучает закономерности разрушения, старения на феноменологическом уровне, т.е. влияние скорости или давления на интенсивность того или другого процесса разрушения, например, изнашивания деталей.

Цель изучения

На основе изучения «физики отказов» создаются математические модели процессов разрушения или старения, и затем методы инженерного расчета тех или иных деталей.

Классификация отказов

Неизбежно происходящие в машине вредные процессы приводят к изнашиванию сопряжений, коррозии, поломкам, разрегулировкам и другим явлениям, в результате которых детали и узлы машины теря­ют первоначальную точность перемещения, прочность или просто вы­ходят из строя. Машины и оборудование останавливают для проведе­ния плановых и аварийных ремонтов, технических обслуживании с целью восстановления первоначального качества.

Помимо этого машины простаивают и по другим причинам: орга­низационным (отсутствие материала, электроэнергии, плохая органи­зация труда и пр.), техническим (смазка, уборка), для замены зату­пившегося режущего инструмента и т. п.

Однако, если первые определяют количественные показатели на­дежности машины, то вторые характеризуют уровень организации производства, совершенство машины и пр.

Для выявления истинного уровня надежности необходимо из об­щего количества нарушений нормального функционирования и остано­вок выделить действительно отказовые ситуации. Если при определе­нии надежности учитывать все остановки машин и оборудования, то получим заниженное значение уровня надежности; если только оста­новки, связанные с ремонтными операциями,— то завышенное.

Общий поток нарушений нормального функционирования можно подразделить на отказы, повреждения и сбои.

Сбой, как самоустраняющийся отказ, может быть повторяющимся, но не настолько часто, чтобы вызвать остановку машины и необходимость в обслуживающем персонале, или, наоборот, редко встречаю­щимся, но быстро устранимым. Однако, если сбои становятся систе­матическими, они должны быть отнесены к отказам, так как можно считать, что узел или элемент не выполняет своих функций.

Повреждение, как событие, заключающееся в нарушении исправ­ности объекта или его составных частей, может быть вызвано воздей­ствием внешних факторов, превышающих допустимый уровень. По­вреждение может быть значительным, но не затрагивать основных функций машины.

Задача выявления истинно отказовых ситуаций усложняется тем, что возможны ситуации, когда отказы не имеют отношения к характе­ристикам надежности объекта или когда в зависимости от выбранных показателей надежности или от режима использования объекта нару­шения можно классифицировать и как отказ, и как повреждение. По­ломка или нарушение работоспособности могут произойти из-за грубой ошибки оператора, наличия металлических предметов в обрабаты­ваемой древесине, несвоевременной смазки узла трения, неправиль­ного натяжения ременной передачи и т. п., а также при нарушении условий эксплуатации и регламентированных режимов работы.

Из этого вытекает необходимость установления причины перерыва в нормальном функционировании; причем нарушение, вызванное слу­чайными причинами, не характерными для нормальной эксплуатации данной машины, за отказ принимать не следует.

Многие операции по техническому обслуживанию машин и обо­рудования необходимо производить в течение рабочей смены при их остановке. Очевидно, если эти остановки оговорены в технических условиях, их нельзя отнести к категории отказов. Таким образом, учитывая все вышеизложенное, к отказам следует отнести событие, вызванное только причинами, характерными для нормального огово­ренного техническими условиями функционирования данной машины, в результате которого она теряет возможность выполнять заданные функции в требуемых пределах и должна быть оставлена для проведе­ния ремонтных работ и не предусмотренных техническими условиями операций с целью устранения возникших дефектов.

Признаки (критерии) отказов для каждого вида машин и оборудо­вания должны быть четко оговорены в технической документации. Определению уровня надежности должно предшествовать составление классификатора всех основных явлений в функциональной системе машины.

Особенностью технологического оборудования, отличающей его от других механических систем, является то, что помимо выполнения определенных рабочих движений и заданной производительности оно должно обеспечивать требуемую точность обрабатываемых на нем изделий. Машина может потерять работоспособность в двух случаях: когда ее узлы перестают функционировать и когда она в процессе работы не обеспечивает требуемых параметров в заданных пределах (технологическую и геометрическую точность, жесткость, уровень вибраций и шума, равномерность перемещений, расход горючего на единицу пути, превышение содержания окиси углерода в отрабо­танных газах и др.). В связи с этим различают отказы элементов (функционирования) и параметрические отказы (рис. 4.1).

Отказы элементов

Отказы элементов являются явными и обнаруживаются обычным наблюдением. Это поломки; пластические деформации и разрушение контактирующих поверхностей, сопровождающиеся остановкой маши­ны. Они легко выделяются из общего потока отказов.

Различают внезапные и постепенные отказы элементов. В соответ­ствии со стандартом отказ называется внезапным, если он характери­зуется скачкообразным изменением одного или нескольких парамет­ров, и постепенным — если изменение постепенное. Кроме того, можно выделить отказы постепенные по развитию и внезапные по проявлению.

Возникновение внезапных и постепенных отказов объясняется на­личием случайных и систематических причин. В качестве случайных причин могут быть приняты непредусмотренные перегрузки, не выяв­ленные контролем дефекты материала и погрешности изготовления деталей, ошибки обслуживающего персонала. Случайные факторы преимущественно вызывают отказы при действиях в неблагоприятных сочетаниях. К систематическим причинам относятся закономерные явления, вызывающие постепенное накопление повреждений: корро­зия, усталость, изнашивание, ползучесть, засорение и др.

По причинам возникновения отказы можно также разделить на конструктивные (вызванные недостатками конструкции), технологиче­ские (обусловленные несовершенством или нарушениями в технологии изготовления) и эксплуатационные (вызванные неправильной эксплуа­тацией.

В соответствии со своей физической природой отказы бывают свя­заны с разрушением деталей или их поверхностей (поломки, износ, коррозия) или не связаны с разрушением (ослабление соединений, загрязнение контактов, засорение трубопроводов подачи топлива, смаз­ки и др.). В соответствии с этим отказы устраняют заменой деталей, регулированием или очисткой.

По возможности дальнейшего использования объекта отказы разделяют на полные, исключающие возможность работы объекта до их устранения, и частичные, при которых объект может частично использоваться, например, с неполной мощностью, на пониженной скорости подачи, при обработке деталей с более высоким квалитетом по точности. По времени возникновения все отказы можно условно разделить на три группы: приработочные отказы, отказы при нормаль­ной эксплуатации и износовые отказы.

Параметрические отказы

Параметрические отказы приводят к такому состоянию объекта, при котором он не обеспечивает сохранения в допустимых пределах своих выходных характеристик. При этом машина продолжает функ­ционировать. Такой отказ простым наблюдением за работой машины выявить практически невозможно. Для его обнаружения требуется провести специальные работы по определению выходных параметров численных значений машины. Если момент появления отказа по пара­метру не был зафиксирован, дальнейшая эксплуатация машины может нанести большой экономический урон, например, вследствие выпуска некачественной продукции. Поэтому большое значение имеет инфор­мация о границах работоспособности машины и динамике изменения выходных параметров, которые и являются определяющими при ана­лизе параметрического отказа.

Параметрические отказы носят обычно постепенный характер и подразделяются на отказы по технологическим и функциональным па­раметрам.

Отказ по технологическим параметрам определяется назначением машины. Для того чтобы она была работоспособна, ее рабочие харак­теристики должны находиться в определенных пределах. Когда эти характеристики выходят за установленные пределы, машина начинает работать неудовлетворительно, то есть наступает отказ. К технологи­ческим относятся отказы по критериям точности обработки, шерохо­ватости поверхности, производительности и т. д. Отказ наступает в тот момент, когда численное значение критерия превышает его регла­ментированную стандартом величину.

Отказ по функциональному параметру наступает при выходе одно­го или нескольких параметров технического состояния объекта за пределы, регламентированные нормативными документами. К отказам этого вида можно отнести превышение установленных норм по уровню шума, содержанию окиси углерода СО в выхлопных газах и др.