5.2. Состояние и свойства. Наработки и отказы подсистем и машин

Под надежностью понимают свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих установленным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

Показатели надежности имеют статистическую природу. Поэтому существуют обоснованные нормы и нормативная документация, где обычно приводятся максимальное, минимальное или среднее значение определенного показателя, которые обязательно регламентированы условиями эксплуатации объекта, технологиями определения и контроля тестируемых показателей. Большинство величин показателей надежности машин выражается в виде наработки.

Под наработкой подразумевают продолжительность или объем работы объекта, измеряемые в часах, километрах, кубометрах или других единицах. Измеритель наработки объекта выбирают в соответствии с требованиями к точности опенки показателей, техническими возможностями измерений и возможностями оценки взаимосвязи отдельных элементов.

Потеря работоспособности большинства деталей машины, происходящая вследствие изнашивания и усталости, является функцией наработки. Исключением являются поломки от внешних чрезмерных воздействий, перегрузок и разрушения поверхностей при заедании, а также аварий.

Принято, что универсальным измерителем наработки для большинства машин может быть астрономическое время (машино-час), соответствующее времени включения одного или одновременно нескольких рабочих механизмов при выполнении вспомогательных или рабочих операций.

В практике строительства существуют также еще два понятия машино-часа [19]. При нормировании выработки в машино-часах измеряется продолжительность нахождения машины на площадке в течение смены, за исключением простоев, обусловленных случайными факторами (по организационным причинам, из – за устранения отказов, устранения брака в работе).

При разработке сметных норм в машино-часах измеряется продолжительность нахождения машины на площадке в течение смены с учетом всех видов простоев.

В качестве простого измерителя наработки машины используют показания счетчика наработки, например двигателя внутреннего сгорания, в условных моточасах. При этом показания счетчика соответствуют астрономическому времени только при определенных оборотах коленчатого вала.

Наработка ряда механизмов периодического действия может отличаться от рабочего времени машины. В этом случае при расчетах используют коэффициенты, характеризующие временную загрузку механизмов относительно продолжительности работы машины или времени смены.

Отказы строительных машин и их элементов. Одним из основных понятий теории надежности машин является понятие отказа. В общем случае под отказом понимают такое событие, которое заключается в «выходе из строя» какого–либо элемента или в нарушении его работоспособности. Однако к определению отказа следует подходить на основе анализа методов обслуживания и эксплуатации, применяемых для машин данного типа.

Отказом называют такое состояние объекта, при котором он полностью или частично теряет свою работоспособность и не может выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации (стандартами, ТУ).

Время на восстановление работоспособности объекта в условиях эксплуатации в пределах сменного времени принято считать простоем.

Отказы существенно различаются:

– по характеру появления (внезапный, постепенный);

– по связи с другими отказами (независимый, зависимый);

– по возможности использования системы до устранения отказа;

– по наличию внешних признаков отказа;

– по причине возникновения отказа (конструкционный, технологический,

эксплуатационный);

– по времени возникновения отказа (в период испытаний, в период приработки, при нормальной эксплуатации, в период после гарантированного срока эксплуатации);

– по последствиям отказа (с незначительным ущербом, со значительным ущербом, отказ–авария);

– по возможности устранения отказа.

В этом случае вводятся возможные виды отказов (например, отказы 1–го вида – сбой, отказы 2–го вида – устойчивые устранимые отказы, отказы 3–го вида – неустранимые отказы–аварии и т. д.).

Состоянию отказа i–го вида соответствует альтернативное ему состояние работоспособности по отношению к отказам i–гo вида.

В другой классификации все виды отказов можно разделить на две группы:

1) из–за разрушения элементов машины;

2) вследствие нарушения качеств функционирования системы.

К первой группе относятся поломки, недопустимые деформации и износ элементов, обрыв и короткие замыкания, расплавление и сгорание элементов электрических схем. Для подавляющего большинства строительных машин и оборудования особого внимания заслуживают отказы первой группы из–за их массовости, а также значительной трудоемкости и стоимости устранения. Поэтому им уделяют основное внимание.

Ко второй группе относятся нарушение регулировок, залипание и забивание рабочих органов обрабатываемой средой, засорение гидравлической системы, течь в местах соединения шлангов, загрязнение или ослабление контактов электропроводки, ослабление креплений под действием вибрации, встречи с непреодолимым препятствием рабочего органа. Для ряда машин в определенное время года при использовании в характерных районах существенное влияние на эффективность работы могут оказывать отказы второй группы (так, для землеройных машин весной и осенью при работе на глинистых грунтах основная часть простоев вызвана залипанием грунтом рабочих органов).

В отличие от отказа следует различать понятие повреждение, которое означает событие, заключающееся в нарушении исправности объекта или его составных частей.

Повреждение может быть значительным или незначительным. Первое, как правило, вызывает отказ объекта; второе означает нарушение исправности при сохранении работоспособности. Некоторые незначительные повреждения могут переходить в категорию значительных и тем самым приводить к отказу объектов. Наиболее общей причиной повреждений второго типа является изменение параметров и характеристик элементов во времени, обусловленное происходящими в них физико-химическими процессами.

Отказ характеризуют причина, признаки, характер и последствия.

Причинами отказов могут быть дефекты, допущенные при конструировании, производстве и ремонте, нарушение правил и норм эксплуатации.

Признаками (проявлениями) отказа называются непосредственные или косвенные воздействия на органы чувств наблюдателя явлений, характерных для неработоспособного состояния объекта, или процессов, с ним связанных.

К последствиям отказа относятся явления, процессы и события, возникшие после отказа и в непосредственной причинной связи с ним. Например, простои, выполнение текущего или капитального ремонта.

Процесс возникновения отказа обычно обусловливается структурой и свойствами материала; напряжениями, вызванными нагрузкой, и часто также температурой. Процессы, приводящие к отказам, могут быть классифицированы по ряду признаков, например, по месту протекания, по виду и характеру изменений, собственно по признакам и другие.

По месту протекания различают процессы, происходящие: в объеме материала элементов, на поверхности элемента, в сочленениях деталей (неподвижных и подвижных), в функциональных цепях (электрических, гидравлических), связанных с взаимным влиянием элементов подсистем.

Воздействующие при эксплуатации факторы влияют на процессы возникновения отказов по–разному: во–первых, они вызывают постепенное изменение характеристик и параметров элементов, во–вторых, при определенных значениях этих характеристик и параметров изменения интенсивности воздействия до некоторого критического уровня может наступать отказ элемента. Различают воздействия, влияющие на элементы независимо от того, работают они или выключены, и воздействия, возникающие в условиях активной работы элемента. К первым можно отнести: влажность, атмосферное давление, температуру окружающей среды, химический состав и загрязнение среды. Ко вторым – напряжение и ток установившихся и переходных режимов, выделяющееся в элементе тепло, механические нагрузки, возникающие в самом работающем элементе при эксплуатации.

Процессы в объеме твердого тела и на его поверхности, способствующие появлению отказов, обычно возникают и развиваются как локальные. В качестве наиболее общих физико-химических процессов, которые могут быть связаны с возникновением отказов, можно указать следующие:

– деформации и механическое разрушение различных материалов;

– тепловое разрушение элементов;

– структурные превращения в сплавах металлов;

– электролитические процессы;

– действие поверхностно–активных веществ;

– диффузионные процессы в объеме и на поверхности твердого тела;

– перемещение и скопление точечных дефектов и дислокаций в кристаллических твердых телах;

– разрыв химических связей цепей макромолекул полимерных материалов и др. Закономерности, характеризующие эти явления, представляют собой основу для построения общих физических моделей отказов и процессов их возникновения.

К объемным процессам также относятся временные воздействия эксплуатационных факторов, что связано как с активной эксплуатации, так и с режимом хранения. Влияние факторов, действующих при активной эксплуатации, зависит от режима эксплуатации: каким является этот режим – непрерывным, циклическим, случайным, повторно–прерывистым или одноразовым, установившимся или переходным.

В устройствах, подвергающихся длительному хранению перед эксплуатацией, постепенное изменение свойств и характеристик элементов при хранении может иметь решающее значение.

Во многих случаях решающее влияние на возникновение отказов оказывают процессы на поверхности тела, которая подвергается непосредственному воздействию окружающей или рабочей среды, особенно агрессивной или от влаги, загрязнений.

К процессам, предшествующим появлению отказов, протекающим в местах подвижных и неподвижных соединений деталей машин, относятся различные виды износа, контактной коррозии и др.

Изменение физического состояния, свойств и характеристик элементов обычно обусловлено воздействием энергии и заключается в превращении одного вида энергии в другой.

Многие физико-химические процессы, связанные с возникновением отказов, являются термически активируемыми процессами, то есть могут протекать только при определенном уровне тепловой энергии. В одних случаях интенсивность процессов увеличивается при нагревании тела, в других – при сильном охлаждении проявляются отказы из–за холодоломкости металлов. В целом, тепловые процессы играют значительную, порой решающую роль в изменении свойств и характеристик элементов, процессов и старении.

По виду изменений, вызываемых в материале воздействующими факторами, различают необратимые изменения (коррозия) и обратимые изменения (пример, деформация в пределах упругости металлических деталей).

По характеру изменений во времени различают воздействия постоянные или закономерно изменяющиеся во времени и воздействия, являющиеся случайными функциями времени. Рассмотрим классификацию отказов машин и элементов по различным признакам.

По частоте отказов можно различать единичные отказы и отказы, повторяющиеся п раз за определенный период наработки.

По последствиям отказы можно разделить на три категории:

• легкие, которые не вызывают остановки машины и могут быть устранены в удобное время (пример, разрушение прокладки, утечка масла);

• средние, вызывающие немедленную остановку объекта для ремонта;

• тяжелые, которые вызывают не только остановку объекта, но и могут

вызвать значительные разрушения.

По сложности устранения отказы объектов целесообразно делить на три группы: устраняемые с использованием операции технического обслуживания; устраняемые путем проведения текущего ремонта; устраняемые путем проведения капитального ремонта. Для устранения отказов второй и третьей групп требуется участие ремонтного персонала, грузоподъемных средств и сменных запасных частей. Отказы этих групп в наибольшей мере сказываются на эффективности использования машин.

По способности к восстановлению работоспособности объекта можно различать: отказы, устраняемые в эксплуатационных условиях; отказы, устраняемые в стационарных условиях. Такое деление является условным и определяется возможностями служб ремонта, приспособленностью машины к ремонту и др.

По внешним проявлениям отказы делятся на явные и скрытые. К явным отказам относятся такие отказы элементов, на обнаружение которых тратится небольшое время – менее, например, 15 мин (или другой установленной нормы). К скрытым относятся отказы элементов, на обнаружение которых требуется время свыше установленной нормы. Такие отказы часто наблюдаются в гидро-, пневмо- и электросистемах машин.

По взаимосвязям между отказами различают первичные отказы, происшедшие по любым причинам, помимо действия другого отказа, и вторичные (зависимые), вызванные действиями другого отказа.

По условиям возникновения различают отказы, возникшие при хранении, транспортировании, на холостом пробеге, при выполнении объектом основных функций.

По уровню внешних воздействий различают отказы, возникающие при нормальных и ненормальных условиях эксплуатации. К последним относится отклонение от правил техобслуживания и управления машиной, использование при недопустимых нагрузках и климатических условиях и пр.

По возможности прогнозирования различают отказы:

– прогнозируемые, возникновение которых зависит от возраста модели или наработки (прогнозируемые отказы, обусловленные изменением параметра изделия);

– непрогнозируемые отказы. Прогнозирование отказов первого вида осуществляется расчетным путем на основании параметров закона их распределения. В настоящее время все большее распространение находят методы прогнозирования отказов, обусловленных постепенными изменениями параметров изделия, с помощью диагностических приборов.

По характеру изменения параметров изделия различают внезапные и постепенные отказы. Внезапный отказ возникает в результате внезапной полной потери работоспособности (поломки от чрезмерной нагрузки, усталости материала), постепенный отказ изделия появляется в результате возрастающей потери работоспособности его узлов.

По системам и агрегатам машины следует различать отказы несущей системы (конструкции), трансмиссии, ходовой части, рабочего оборудования, электрооборудования, гидросистемы, пневмосистемы, системы управления и другие.

Указанные классификации и причины отказов необходимы для того, чтобы снизить вероятность отказов, а в идеале предотвратить их вообще, но так не бывает. Чтобы повысить надежность системы, при прочих мерах и подходах требуется кратковременные вмешательства обслуживающего рабочего в технологический процесс эксплуатации. Для этого применяют подналадку систем, которые регламентированы системой обслуживания, например, ТО–1 и ТО – 2. Например, подналадка в узлах, регулировка зажигания или иных механизмов, замена масел, какие–то профилактические работы для многих современных машин включены в нормативы технологического и межремонтного обслуживания. Таким образом, чем выше степень совершенства модели машины, тем меньше таких «узаконенных» отказов, тем больше приспособлена машина к непрерывной длительной работе.