Лекция 2. Основные показатели надежности и методы их оценки

1.Основные понятия надежности. Теоретическая база надежности. Физические основы надежности.

2.Законы надежности. Основные показатели надежности и их определение.

3. Влияние технических и эксплуатационных факторов на надежность. Основные мероприятия по повышению надежности строительных машин.

.

1.Основные понятия надежности. Теоретическая база надежности. Физические основы надежности.

Для современных машин характерны такие направления их развития как увеличение степени автоматизации, повышение рабочих параметров — нагрузок, скоростей, температур, борьба за малые габариты и массу, повышение требований к эффективности их работы (производительности, мощности, КПД). Усложнение машин и усиление требований к ним привели к необходимости повышения требований к их надежности и долговечности.

Надежность отражает свойство машины сохранять требуемые качественные показатели в течение всего периода эксплуатации.

Решение проблемы надежности машин — это огромный резерв повышения эффективности производства, производительности общественного труда.

Ненадежная машина не сможет эффективно функционировать, так как каждая ее остановка из-за повреждения отдельных элементов или снижения технических характеристик ниже допустимого уровня, как правило, влечет за собой большие материальные убытки, а в отдельных случаях может иметь катастрофические последствия.

В настоящее время промышленность даже передовых стран несет огромные потери из-за недостаточной надежности и долговечности выпускаемых машин. Так, за весь период эксплуатации затраты на ремонт и техническое обслуживание машин в связи с их износом в несколько раз превышают стоимость новой машины, например, для автомобилей — до 6 раз, для самолетов — до 5 раз, для станков — до 8 раз, для радиотехнической аппаратуры— до 12 раз. Из-за коррозии ежегодно теряется до 10% выплавляемого металла.

Существенное недоиспользование потенциальных возможностей имеет место для машин и агрегатов, к которым предъявляются высокие требования безотказности. Они, как правило, снимаются с эксплуатации намного раньше того срока службы, который могло бы отработать большинство данных изделий.

При этом подчеркивалось первостепенное значение повышения надежности машин, продления их ресурса, сокращения трудозатрат на ремонт и техническое обслуживание. Таким образом, задача повышения надежности

лежит в основе разработок, связанных с созданием высококачественных машин, оборудования и приборов.

Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами проектирования, изготовления и использования машины, начиная с момента, когда формируется и обосновывается идея создания новой машины и кончая принятием решения о ее списании. Каждый из этапов вносит свою лепту в решение трудной задачи создания машины требуемого уровня надежности с наименьшими затратами времени и средств. Основные решения по надежности, принятые на стадии проектирования или изготовления машины, непосредственно сказываются на ее эксплуатационных и экономических показателях, которые нередко вступают между собой в противоречие. Поэтому необходимо выявление связей между показателями надежности и возможностями па их повышению на каждом из этапов проектирования, изготовления и эксплуатации машины.

При проектировании и расчете машины закладывается ее надежность. Она зависит от конструкции машины и ее узлов, применяемых материалов, методов защиты от различных вредных воздействий, системы смазки, приспособленности к ремонту и обслуживанию и других конструктивных особенностей.

При изготовлении (производстве) машины обеспечивается ее надежность. Она зависит от качества изготовленных деталей, методов контроля выпускаемой продукции, возможностей управления ходом технологического процесса, от качества сборки машины и ее узлов, методов испытания готовой продукции, и других показателей технологического процесса.

При эксплуатации машины реализуется ее надежность. Показатели безотказности и долговечности проявляются только в процессе использования машины и зависят от методов и условий эксплуатации машины, принятой системы ее ремонта, методов технического обслуживания, режимов работы и других эксплуатационных факторов.

Проблема надежности — комплексная. Она вторгается в сферы производства и эксплуатации машин, для ее решения привлекаются различные отрасли знаний, она требует принятия новых организационно-технических решений. Вместе с тем, несмотря на широту своих интересов, надежность — это новая отрасль науки и техники со своей методологией и философией, со своей спецификой и местом в ряде других паук.

Предмет науки о надежности машин. В условиях технической революции практика с ее разнообразными запросами в области проектирования, производства и эксплуатации машин ставит перед наукой о надежности новые задачи по отысканию оптимальных конструктивных решений, по прогнозированию состояния машины, диагностике, обеспечению работоспособности в тяжелых условиях и др.

Наука, реагируя на эти запросы практики, модернизирует существующие теории и положения, разрабатывает новые математические модели. При этом для вопросов надежности особенно характерно использование самых разнообразных отраслей наук и сочетание различных методов и положении при решении поставленных задач.

Здесь используются и теория вероятностей, и физико-химическая механика, включая теорию трения и изнашивания, и разделы динамики и прочности машин, привлекаются идеи автоматического регулирования и кибернетики, развиваются положения теории технологических процессов и диагностики.

Наука о надежности изучает закономерности изменения показателей качества технических устройств и систем и на основании этого разрабатывает методы, обеспечивающие с наименьшей затратой времени и средств необходимую продолжительность и безотказность их работы.

Наука о надежности изучает изменения показателей качества машины под влиянием тех причин, которые приводят только к абсолютным изменениям ее свойств.

Относительное изменение качества машины связано с появлением новых машин с более совершенными характеристиками, и ее показатели становятся более низкими по сравнению со средним уровнем, хотя в абсолютных значениях они могут и не измениться, т. е. происходит моральный износ машины.

Основная трудность при оценке надежности машин заключается в использовании таких методов расчета и таких источников информации об изменении работоспособности машины, которые позволили бы прогнозировать поведение машины в различных условиях эксплуатации.

Проблема надежности связана в первую очередь именно с прогнозом, так как констатация того или иного уровня надежности для машины, уже отработавшей свой ресурс, имеет весьма малую ценность. Особенно на ранних стадиях создания машины — при ее проектировании или при наличии опытного образца — необходимо дать оценку ее надежности в предполагаемых условиях эксплуатации.

Следует подчеркнуть, что наука о надежности не рассматривает вопросов достижения определенного уровня показателей качества машин — их точности, мощности, КПД, производительности — это задача других наук, а рассматривает процесс изменения этих показателей с течением времени.

Особое значение для науки о надежности, как и для любой науки, имеет вопрос о применении математического аппарата и привлечении уже разработанных или созданных по запросам практики новых методов, позволяющих осуществлять оценку и прогнозирование надежности изделий и сложных систем.

Наконец, теория надежности использует все те достижения в области расчета и проектирования машин данного типа, а также технологии их изготовления, которые включают зависимости, характеризующие связь показателей качества с факторами, которые могут изменяться в процессе эксплуатации и производства машины. Например, уравнения и зависимости, описывающие рабочий процесс машины, возникающие динамические нагрузки, законы перемещения рабочих органов, характеристики мощности, КПД и др., необходимы для анализа и математического описания изменении начальных показателей машины, т. е. для решения коренной задачи надежности. Для науки о надежности машин характерно сочетание вероятностных методов оценки процессов изменения их параметров качества с выявлением детерминированных закономерностей процессов старении и разрушения, а также оценка условий производства машин и тех методов эксплуатации, которые определяют их работоспособность. Ее задачи — дать методы расчета машин и их элементов из условия обеспечения требуемых показателей надежности.

Однако в настоящее время в инженерной практике, как правило, не применяются расчеты на надежность и долговечность машины, нет даже общей схемы такого расчета, а имеются лишь отдельные виды расчетов, представляющие собой по существу разрозненные этапы комплексного решении.

Такое положение объясняется чрезвычайной сложностью проблемы расчета машин на надежность. Это связано не только с объемом расчетов, поскольку каждая современная машина имеет большое число элементов с потенциальной возможностью отказа, но и с разработкой принципиальной схемы расчета машины на безотказность и долговечность.

Расчеты машин на надежность сложны также и потому, что в основе инженерной задачи по определению параметров машины с учетом износа, коррозии, усталости и др. лежат разнообразные по физической сущности и характеристике процессы.

Если учесть, что для многих современных машин характерен не только широкий диапазон скоростей и нагрузок, но и воздействие коррозийно-агрессивных сред, высоких и низких температур, наличие вакуума, электромагнитных влияний, ядерных облучений и других воздействий, то отыскание закономерностей протекания процесса разрушения возможно только на основе применения методов и средств физико-химической механики материалов.

Но как бы не были сложны закономерности процесса разрушения материала изделия — это лишь первый этап инженерных расчетов на надежность. Кроме того, должны быть разработаны методы расчета на долговечность и безотказность различных элементов машины с учетом характера действующих сил и скоростей, размеров и конфигураций сопряжения, условий эксплуатации, служебного назначения данного узла и требований, предъявляемых к его выходным параметрам. При этом должна быть учтена вероятностная природа протекающих процессов разрушения материалов изделия. Вот почему вопросам расчета на надёжность и прогнозированию потери машиной работоспособности должно уделяться первостепенное внимание.

Философские предпосылки проблемы надежности. Рассматривая надежность с позиций диалектического материализма, следует в первую очередь ответить на два связанных между собой вопроса.

Во-первых, является ли потеря машиной с течением времени своих начальных характеристик обязательным процессом? Иными словами не лучше ли создавать абсолютно надежные машины, чем изучать их ненадежность?

Во-вторых, какие философские категории и закономерности определяют методологический аспект проблемы надежности?

Любая машина, выполняя определенные функции, находится во взаимодействии с окружающей средой, с человеком, управляющим машиной, с объектом, для которого она предназначена (технологические машины — с обрабатываемым материалом, транспортные — с перевозимым грузом и т.п.).

При этом возникают разнообразные причинно-следственные связи как формы проявления всеобщей универсальной связи явлений в природе. Накопление количества различных воздействий на машину приводит к эволюции ее качественных показателей и в соответствии с законами диалектики к возможности перехода в иное качественное состояние.

Поэтому изменения, которые происходят в машине при ее эксплуатации, являются закономерным проявлением важнейшего и неотъемлемого свойства всех материальных объектов — движения, в его философском понимании, ибо ничего неизменного в природе нет.

Мы можем замедлить нежелательные для нас изменения, сделать так, чтобы отклонения качественных показателей машины находились в течение необходимого времени в допустимых пределах, но исключить их полностью нельзя.

Характерно отношение различных наук к возможности создания идеальных машин и механизмов.

Если классические науки, например механика, при исследовании машин и механизмов идеализировали те условия, в которых протекает их работа, считали возникающие ошибки и отклонения в их функционировании необязательными, то современная наука, особенно кибернетика, рассматривает ошибки функционирования как естественное свойство реальной системы.

Машину нельзя изолировать от влияния среды, в которой она работает, от влияния процессов, которые протекают в ней самой при осуществлении рабочих функций, от действия остаточных явлений, являющихся следствием технологических процессов, применявшихся при изготовлении машины. Все виды энергии — механическая, тепловая, химическая, электромагнитная — воздействуют на машину и вызывают в ней обратимые и необратимые процессы, снижающие ее начальные характеристики.

Поэтому необходимо изучать источники и причины вредных воздействий на машину, исследовать физическую сущность процессов, снижающих работоспособность машины, изучать реакцию машины на различные воздействия и на основании этого создавать такие системы, которые могли бы в течение необходимого периода времени выполнять заданные функции, не опасаясь взаимодействий с внешней средой.

Надежность изделия является одним из основных показателей его качества.

В философском понимании качество — это неотъемлемая от объекта совокупность признаков, выражающая его специфику и отличие от других объектов или явлении.

Под качеством технического устройства понимается обычно совокупность свойств, определяющих степень его пригодности для использования по назначению.

Но поскольку использование данного изделия по назначению происходит в течение определенного, как правило, длительного периода времени, под влиянием различных факторов может произойти изменение свойств, которые определяют его качество.

Поэтому надежность, которая изучает изменение показателей качества во времени, является как бы «динамикой качества», его разверткой во времени.

Экономический аспект надежности. Оценка достигнутого уровня надежности и необходимость его повышении должна решаться в первую очередь с экономических позиций, ибо экономика является основным критерием для решения большинства практических вопросов надежности. Ведь современный уровень развития техники позволяет достичь практически любых показателей качества и надежности изделия и все дело заключается в затратах на достижение поставленной цели.

Эти затраты могут быть столь высоки, что эффект от повышенной надежности объекта не возместит их, и суммарный результат от проведенных мероприятий будет отрицательным.

Конечно, очень многое зависит от характера принимаемых решений. Часто мероприятия по повышению надежности могут и не требовать существенных затрат, поскольку наука и практика подсказывают рациональные решения. Однако всегда имеется широкий диапазон самых разнообразных возможностей по повышению начального качества машины и изменению ее конструкции, по применению более качественных материалов, по выбору различных вариантов технологического процесса и использованию специальных методов, повышающих надежность изделий, по применению той или иной системы ремонта и технического обслуживания машин и т. п.

Сравнение различных вариантов достижения требуемого уровня надежности должно исходить из условия получения наибольшего суммарного экономического эффекта с учетом затрат в сферах производства и эксплуатации машины и того положительного экономического эффекта, который дает использование машины по назначению. В общем случае изменение во времени суммарного экономического эффекта при эксплуатации машины слагается под влиянием двух основных факторов (рис. 2). С одной стороны, необходимо учитывать затраты на изготовление новой машины Q_И, включая ее проектирование, изготовление, испытание, отладку, транспортировку к месту работы и другие затраты, а также затраты на эксплуатацию Q_Э, включая техническое обслуживание, ремонт, профилактические мероприятия — все то, что связано с поддержанием и восстановлением работоспособности машины. Эти затраты Q_Э + Q_И являются отрицательными в балансе эффективности.

Рисунок 2.- Изменение экономической эффективности машины во времени

Сравнение различных вариантов достижения требуемого уровня надежности должно исходить из условия получения наибольшего суммарного экономического эффекта с учетом затрат в сферах производства и эксплуатации машины и того положительного экономического эффекта, который дает использование машины по назначению. В общем случае изменение во времени суммарного экономического эффекта при эксплуатации машины слагается под влиянием двух основных факторов (рис. 1). С одной стороны, необходимо учитывать затраты на изготовление новой машины Q_И, включая ее проектирование, изготовление, испытание, отладку, транспортировку к месту работы и другие затраты, а также затраты на эксплуатацию Q_Э, включая техническое обслуживание, ремонт, профилактические мероприятия — все то, что связано с поддержанием и восстановлением работоспособности машины. Эти затраты Q_Э + Q_И являются отрицательными в балансе эффективности.

С другой стороны, работа машины дает положительный экономический эффект Q_Р (прибыль) в зависимости от ее целевого назначения, например, для технологического оборудования, в результате выпуска продукции, для транспортных машин при перевозке грузов, для двигателей как следствие преобразования энергии и т. п.

Изменение Q_Э в функции времени имеет тенденцию к возрастанию, так как старение отдельных элементов машины приводит к необходимости вкладывать все большие средства для восстановления утрачиваемых свойств,

Изменение Q_Р во времени, наоборот, имеет тенденцию к уменьшению интенсивности роста, поскольку более частые простои машины в ремонте и техническом обслуживании снижают ее производительность. Поэтому кривая суммарной эффективности имеет максимум и два раза пересекает ось абсцисс t.

Q(t) = Q_И + Q_Э (t) + Q_Р (t).

При возрастании Q период времени t = Т_ОК, при котором Q_И +Q_Э = Q_Р, будет являться сроком окупаемости, когда машина при эксплуатации возвратила затраты, которые были в нее вложены при изготовлении. Начиная с этого момента при t = T_ОК машина начинает приносить прибыль. Однако прирост полученного эффекта постепенно снижается из-за возрастания эксплуатационных затрат до t = Т_ПР, когда снова Q_И + Q_Э = Q_Р. При t > Т_ПР затраты на эксплуатацию больше того экономического эффекта, который может обеспечить машина. Длительность экономически целесообразной эксплуатации машины Т_Э находится в диапазоне между Т_max и предельным сроком службы машины Т_ПР:

Т_max  Т_Э  Т_ПР.

Выбор варианта машины с позиций надежности должен исходить из сравнения затрат на изготовление и эксплуатацию машины с тем экономическим эффектом, который она сможет обеспечить. Например, как это видно из рис.3, начальная стоимость машины № 2 выше, но за счет показателей производительности, качества и надежности она дает больший экономический эффект и ее целесообразно эксплуатировать более длительное время. При оценке разнообразных возможностей по повышению и обеспечению надежности машин экономический критерий является важнейшим для выбора оптимальных решений.