Глава 5. Основные положения теории надежности машин

5.1. Основные термины и определения надежности технических систем

При рассмотрении и оценке комплекса строительных машин, отдельных машин, оборудования, их узлов и деталей с позиций эффективной эксплуатации требуются единые понятия, относящиеся к техническим системам в области надежности. Поэтому объекты, имеющие целевое назначение, рассматриваются в периоды проектирования, производства, эксплуатации, исследований и испытаний, причем всесторонне, в том числе на надежность.

Современные технические системы, какими являются машины строительного комплекса, предназначены для выполнения технологических задач разного назначения, включая функции управления, контроля и регулирования технологических процессов, перевозки.

Все машины должны не только точно функционировать, но и быть надежными и долговечными в работе.

Строительным технологическим машинам требуется высокая надежность. Укажем некоторые положения теории надежности, чтобы применить их к дорожным, строительным и коммунальным машинам. Независимо от отрасли, основы теории надежности едины для всех технических систем.

Объекты делят на два класса: восстанавливаемые (которые при отказе могут быть восстановлены) и невосстанавливаемые (которые при отказе не могут быть восстановлены или не подлежат восстановлению).

Принято, что объекты находятся в двух состояниях: работоспособном и неработоспособном. Под работоспособностью понимается состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно–технической документацией (стандартами, техническими условиями).

Представим основные положения и термины этого направления.

Работа любой машины строительного комплекса происходит при существенно изменяющихся внешних воздействиях, обусловленных многочисленными и разнообразными факторами. Взаимодействуя с потенциальными свойствами машин, внешние воздействия формируют качественные и прочие показатели их работы. Указанное явление можно отражать информационной моделью, построенной по принципу «вход — выход» (рис. 4.4).

Входные переменные образуют вектор–функцию внешних воздействий

X=[ x₁(t), x₂(t), .... x_n(t)].

Выходные переменные представляют в виде вектора–функции показателей работы машины Y =[ y₁(t), y₂(t), .... y_n(t), который показывает, как работает машина в реальных условиях эксплуатации.

Характерной особенностью внешних воздействий является то, что они чаще всего имеют статистическую природу. Составляющие вектора X представляют собой случайные функции (процессы) воздействия на машину и даже случайные поля, то есть случайные функции нескольких переменных.

Изменяются также во времени потенциальные свойства машины. Составляющие вектора Y – выходные переменные y_n определяют показатели работы машины и являются также случайными функциями времени.

Наиболее полная статистическая оценка, составляющих векторов X и Y включает в себя совокупность следующих числовых характеристик определяющих внутреннюю структуру процессов [19]:

– средние значения т_у(х);

– дисперсии D_у(х);

– коэффициенты вариации V_у(х);

– параметры корреляционной функции К _у(х) (t₁, t₂) ;

– параметры спектральных плотностей Фт_у(х) (ώ).

Укажем отдельные элементы, составляющие основу информационной модели. Так, внешние воздействия определяются такими наиболее важными факторами, как природные условия (холод, тепло, песок, вечная мерзлота, рельеф местности), взаимозависимость режимов работы с объектами природы (каменистый грунт или снег). Основные показатели, определяющие природные условия, могут быть определены прямым или косвенным путем.

Потенциальные свойства машины. Под свойством машины следует понимать объективную особенность, проявляющуюся при ее создании и эксплуатации. Обычно свойства машины проявляются при взаимодействии с другими объектами и внешними факторами. Каждая машина имеет множество свойств, образующих иерархическую совокупность в порядке 5–7 уровней. Принято считать, что самый высокий (начальный) уровень иерархической совокупности свойств – это качество как некоторое наиболее обобщенное, комплексное свойство машины.

Составляющие качества – его менее обобщенные свойства, рассматриваются на первом уровне иерархии. Ими являются экономичность и безопасность.

На этом уровне иерархической системы свойства качеств, свойство экономичности рассматривается как реализуемое в сфере эксплуатации. Но в тоже время указанное свойство в значительной мере для всех строительных машин связывают с основой, которая характеризуется надежностью. Поэтому влияние надежности сказывается в основном на эксплуатационных затратах и на убытках, вызванных простоями.

Но так как по мере их эксплуатации в системе наблюдается тенденция уменьшения уровня надежности машин, то в итоге имеем ситуацию, приводящую к уменьшению экономического эффекта от эксплуатации объекта.

Причинами такой закономерности являются простые и сложные взаимосвязи, в том числе следующие отдельные факторы: уменьшение средних ресурсов элементов при последующих их заменах вследствие нарушения приработки, деформации несущих элементов, искажения размерных цепей; увеличение количества запасных частей, достигших предельного состояния; повышение затрат на техобслуживание и диагностирование и др.

На интенсивности изменения эксплуатационных затрат во времени сказывается качество ремонта, техобслуживания и управления машиной.

В свою очередь каждое из этих свойств также может состоять из некоторого числа еще менее общих свойств, лежащих на следующем низком, втором уровне рассмотрения. Как принято – это полезность и надежность.

Последние определяют третий уровень. Например, у надежности есть четыре основных направления: безопасность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. У всех их есть ещё более нижний уровень, в данном случае это пятый уровень. Так, у долговечности есть основы в виде сопротивляемости разрушению, износу и коррозии; стабильности физико-механических свойств, а также стабильность рабочих процессов.

При этом необходимо иметь в виду, простые свойства являются таковыми только в данный момент, при данном уровне знаний общества. С прогрессом науки свойства, считавшиеся ранее простыми, становятся разложимыми на другие, еще общие свойства и, таким образом, переходят из разряда простых в разряд более сложных.

Ранее мы исследовали понятие и влияние на эксплуатационные показатели качества машин, поэтому опять укажем, что под качеством машины понимается совокупность всех ее свойств, обусловливающих пригодность удовлетворять потребность в соответствии с назначением объекта.

Термин надежность машины, в общем понимании характеризует её способность выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Есть определение надежности по ГОСТ. Оно таково.

Надежность – это свойство любого объекта или её составной части, сохранять во времени в установленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Данное определение приемлемо для любой технической системы, включая строительные машины технологического назначения.

При этом требуемые значения эксплуатационных показателей для определенного вида машин и определенного интервала времени, а также условий работы должны приводиться в нормативной документации. Эксплуатационными показателям являются производительность, скорость, стоимость по времени эксплуатации и другие.

Для показателей надежности машины в соответствии с обусловленным третьим уровнем иерархий есть свои показатели.

Надежность является комплексным свойством строительной машины технологического назначения и его составных частей и включает в себя, как указывалось раньше, свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Безотказность – это свойство машины или её составной части сохранять работоспособность в течение определенного времени или пробега без вынужденных перерывов для устранения отказов (некоторой наработки).

Нарушение работоспособности машины может произойти вследствие отказов. Признаки (критерии) отказов устанавливаются нормативно–технической документацией на данный объект–машину. Более подробно отказы машин строительного комплекса рассмотрим ниже.

В свою очередь безотказность характеризуется совокупностью ее простых свойств четвертого уровня: – сопротивляемостью элементов конструкции разрушению, износу, коррозии; – стабильностью физико-механических свойств конструкционных материалов изделий; – стабильностью рабочих процессов агрегатах и системах.

Свойства сопротивляемости проявляются в частичном или полном разрушении деталей и их поверхностей, а также в появлении недопустимых деформаций. Отметим, что степень разрушения и деформации определяется множеством факторов конструктивного характера, в том числе материалом и степенью его упрочнения, конфигурацией деталей, наличием предохранительных устройств устраняющих большие нагружения и исключающих чрезмерную нагрузку конструкции, ошибки оператора и др.

Следующая группа свойств проявляется в частичном или полном нарушении рабочих функций. Примерами являются снижение упругих свойств уплотнений или смазочных качеств масел под воздействием низкой температуры, усадка пружин и другие. Изменение стабильности выходных характеристик рабочих процессов в агрегатах машин сказывается, например, на уменьшении мощности дизеля вследствие засоренности топливной системы, уменьшении производительности гидронасоса из–за изменения вязкости рабочей жидкости, несрабатывании электрической защиты из–за повышения температуры воздуха в месте ее расположения.

Проявления указанных свойств зависят преимущественно от состояния внутренней среды системы (воздушной, топливной, гидравлической, масляной), изменяющейся под воздействием внешней среды и режимов рабочих процессов машины.

Перечисленными группами простейших свойств характеризуется также долговечность, под которой понимается свойство машины сохранять требуемую работоспособность.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Определение показателей долговечности позволяет нормировать ресурсы и сроки службы машин, систем и их агрегатов.

Наработка всех систем и объекта в целом от начала эксплуатации или ее возобновлении после определенного вида ремонта до наступления предельного состояния называется техническим ресурсом машины.

В процессе эксплуатации строительная технологическая машина может находиться в разных состояниях. Базовыми являются следующие состояния: исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное и предельном. Состояния объектов рассмотрим ниже.

Предельное состояние машины. Оно характеризуется невозможностью ее дальнейшей эксплуатации из-за неустранимого нарушения требований безопасности или неустранимого выхода заданных параметров за установленные пределы, неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой, необходимости проведения определенного вида ремонта, нарушения рабочих функций.

Признаки (критерии) предельного состояния устанавливаются нормативно–технической документацией на данную машину. На их сохранение или поддержание, а при необходимости и восстановление направлена система технического обслуживания.

Для этого применяют планово – предупредительную систему технического обслуживания и ремонта машин.

В составе машин строительного комплекса можно различить три группы элементов и объектов, отличающихся характеристиками предельных состояний, они таковы.

Группа А – это невосстанавливаемые элементы; К группе А относятся детали, которые не восстанавливаются после первого отказа: изношенные фрикционные накладки тормозов и муфт, пружины, подшипники качения, зубчатые колеса, уплотнения, вкладыши подшипников скольжения и др.

Предельное состояние объектов группы А наступает при возникновении первого отказа. К группе А могут быть также отнесены несложные узлы, которые нецелесообразно ремонтировать по разным причинам.

Группа Б – восстанавливаемые элементы и простые системы с конечным временем восстановления. Группа Б включает детали, узлы и агрегаты машин, которые могут иметь в эксплуатации более одного отказа. Работоспособность объектов этой группы до возникновения предельного состояния поддерживается регулировкой, очисткой, заменой элементов и рядом подобных операций обслуживания.

Предельное состояние объектов данной группы наступает при возникновении отказа, вызывающего необходимость восстановительного или капитального ремонта системы.

Группа В – сложные системы из элементов с конечным временем восстановления. Группа В определяется машинами в целом. Работоспособность объектов рассматриваемой группы до возникновения предельного состояния поддерживается в результате проведения операций технического обслуживания и ремонта Предельное состояние объектов группы В наступает при возникновении необходимости в их капитальном ремонте или списании машины. Из вышеуказанного вытекает другое понятие, связывающее состояние и время, это – срок службы.

Сроком службы называется календарная продолжительность эксплуатации машины в период ЖЦИ (от ее начала или возобновления после проведения определенного вида ремонта) до наступления предельного состояния.

Одним из важнейших свойств любой машины является ремонтопригодность, под которой понимается свойство конструкции, обеспечивающее её приспособленность к предупреждению возникновения отказов.

Ремонтопригодность (эксплуатационная технологичность) – это свойство строительной технологической машины или и её составной части, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Поясним, что приспособленность к ремонту и техобслуживанию определенного типа машин в конкретных условиях проявляется везде и в работе и при ремонте. Количественно ремонтопригодность определяется затратами времени, труда и средств.

Основными показателями ремонтопригодности и эксплуатационной технологичности являются средняя продолжительность и средняя трудоемкость выполнения технического обслуживания или ремонта, которые используют при нормировании работ и сравнении между собой различных строительных технологических машин.

Для характеристики ремонтопригодности и эксплуатационной технологичности используется также ряд частных показателей, определяющих влияние конструктивных особенностей машины на трудоемкость и продолжительность его обслуживания и ремонта.

Среди важных свойств, определяющих ремонтопригодность машин, относятся: доступность, контролепригодность, легкосъемность, взаимозаменяемость, блочность и агрегатирование, степень унификации, количество смазываемых точек.

Рассмотрим ещё одно из важнейших свойств машины третьего уровня, каким является ее сохраняемость. Традиционно под сохраняемостью подразумевается свойство сохранять эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения или транспортирования, установленного в технической документации.

Сохраняемость – это свойство машины или её составной части непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние, в первую очередь значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение хранения и после него и (или) при транспортировании.

Сохраняемость характеризуется сопротивляемостью конструкции изменению характеристик элементов под воздействием влажности, атмосферного давления, облучения, загрязненности атмосферы, окружающей температуры и собственной массы при хранении.

Требуемые высокие показатели сохраняемости достигаются конструктивными и эксплуатационными мерами, в первую очередь, путем различных герметизаций, применением специальных заглушек и пробок, нанесением защитных покрытий по наружной поверхности узлов и машины, установкой на машине различных приспособлений и других мероприятий.

Общие показатели надежности машин. Показателями надежности машин строительного комплекса являются количественные характеристики проявления одного или нескольких свойств, составляющих надежность машины применительно к определенным промежуткам времени, режимам и условиям эксплуатации.

В общем виде показатели надежности машин классифицируют по ряду признаков. В зависимости от сложности свойств различают комплексные показатели, характеризующие совокупность свойств, и единичные показатели, характеризующие определенные свойства.

В зависимости от формы показателей различают абсолютные и относительные показатели.

Абсолютные показатели в форме численных характеристики получают в результате измерений или вычислений. Их выражают в виде натуральных единиц (часов, кубических метров, циклов), в стоимостном и трудовом исчислении (чел.–ч) и др. Некоторые из показателей надежности могут не иметь размерности (например, вероятность безотказной работы). Абсолютные показатели не выражают уровня проявления свойств.

Относительные показатели, равные отношению измеряемого (абсолютного) показателя к базовому, характеризующему определенное свойство выбранного эталона.

В зависимости от времени различают проектные, текущие и перспективные показатели надежности машин.

Проектные показатели закладываются в процессе проектирования объекта и проявляются в результате проведения необходимой расчетной и исследовательской работы еще задолго до того момента, когда объект начинает реально существовать, ( первой стадии ЖЦИ).

Текущими показателями надежности являются достигнутые в настоящее время (при данной эксплуатации) показатели, то есть фактические, реально существующие.

К перспективным показателям относят показатели объекта, которые могут быть достигнуты в будущем в результате развития конструкции: модернизации, совершенствования производства, эксплуатации и др.

С позиций весомости влияния на среднюю величину оценки функционирования объекта иногда используют основные и дополнительные показатели.

Основные показатели включают в стандарты, технические задания, а также используют при планировании производств.

Дополнительные показатели могут уточнять отдельные свойства или основные показатели. Их используют при исследовательских работах, анализе использования машин.

Перечень основных показателей надежности объектов указаны в Государственном стандарте России.