6.5. Повышение надежности и долговечности деталей, узлов и агрегатов машин

Методы повышения надежности машин. Для определения коэффициента надежности _{Р (t)}, то есть вероятности безотказной работы любого элемента строительной машины, рассмотрим интегральную функцию распределения (см. рис. 6.6,в и 6.7,в):

(6.55)

Ординаты этой функции численно равны площади, отсекаемой абсциссой t на кривой f(t), и характеризуют вероятность выхода из строя детали за период от 0 до t. Вероятность безотказной работы P(t) относится к событию, противоположному появлению отказа (выходу из строя) F(t).

Поэтому

(6.56)

Для нормального закона распределения сроков службы, что характерно для постепенных (износовых) отказов из (6.33) и (6.55), запишем выражение

(6.57)

Для вычисления значений этой функции в теории вероятностей пользуются таблицами функции Лапласа.

При внезапных отказах, для которых характерен экспоненциальный закон распределения, из (6.35) и (6.55) получаем (см. рис. 6.7, в) зависимость

(6.58)

При совместном действии износовых и внезапных отказов коэффициент надежности P(t) можно подсчитать по теореме умножения вероятностей, так как событие – вероятность безотказной работы элемента за время t – требует выполнения двух условий: безотказности от износовых повреждений и безотказности от внезапных выходов из строя

(6.57)

Если известны параметры законов распределения , можно подсчитать вероятность безотказной работы элемента или узла.

По известным значениям вероятности времени безотказной работы элемента P(t) необходимо подсчитать коэффициент надежности P(t) сложной системы, состоящей из большого числа различным образом соединенных элементов.

Наиболее характерен случай, когда отказ одного элемента выводит из строя всю систему, как, например, при последовательном соединении элементов (рис. 6.10, а).

Так, большинство приводов рабочих органов передач и механизмов, установленных на строительных и дорожных машинах, подчиняются этому условию.

Если, например, в коробке скоростей автомобиля – базы выйдет из строя любая шестерня, подшипник, то вся коробка перестанет функционировать.

Сломанный рычаг

управления карбюратором или отказ электродвигателя стеклоочистителя или насоса системы смазки, выводят из строя соответствующий узел.

Вероятность безотказной работы такой системы по теореме умножения вероятностей независимых событий равна произведению вероятностей безотказной работы элементов, то есть получим

(6.58)

Если причиной выхода из строя является только внезапный отказ и функция распределения сроков службы подчиняется экспоненциальному закону, то величина P(t) также будет подчиняться экспоненциальному закону с параметром

^{. (6.59)}

Рис. 6.10. Схемы возможных расположений элементов в сложных системах при определении

коэффициента надежности

Простота подсчета надежности сложных систем при экспоненциальном законе приводит часто к тому, что этим правилом пользуются и в тех случаях, когда причиной выхода из строя является износовый отказ.

Сложные системы, состоящие из элементов высокой надежности, могут обладать низкой надежностью вследствие наличия большого числа элементов. Например, если узел состоит из 50 деталей, а коэффициент надежности каждой детали за выбранный промежуток времени составляет Рi = 0,99, то коэффициент надежности узла _.

Для повышения надежности сложных систем применяют резервирование, то есть создают дублирующие элементы, которые выполняют одинаковые функции, например наличие у любого автомобиля ручного тормоза, используемого для экстренного торможения, хотя ему также приданы функции стояночного тормоза.

При выходе из строя одного из элементов, например тормозных дисков одного из колес автомобиля–базы, дублер выполняет его функции и тормозная система не прекращает своей работы, но её параметры суммарно понизятся, ухудшится показатель безопасности.

Однако в целом резервирование значительно повышает надежность системы.

При постоянном (нагруженном) резервировании, когда резервные элементы постоянно присоединены к основным и находятся в одинаковом с ними режиме работы (см. рис. 6.10, б), вероятность безотказной работы P(t) системы подсчитывают следующим образом.

Принимают, что за время t_, вероятность появления отказа каждого из элементов есть . Тогда отказ системы – это событие, которое происходит при условии отказа всех элементов, и вероятность совместного появления всех отказов:

(6.60)

Поэтому коэффициент надежности системы с параллельно резервированными элементами с учетом (6.56), равен

(6.61)

Например, если надежность каждого элемента р = 0,9, а n = 3, то

Таким образом, надежность системы повышается и становится возможным создание надежных систем из ненадежных элементов.

Возможно также создание ненагруженного резервирования (резервирования замещением), когда резервные цепи находятся в отключенном состоянии и включаются лишь тогда, когда основная цепь (или элемент) отказывают (см. рис. 6.10,в).

В этом случае необходимы системы или приборы для обнаружения отказа и устройство для включения резерва. Резервирование хотя и повышает надежность систем, но приводит к их усложнению и удорожанию, поэтому целесообразность его применения должна быть оправдана экономически.

Примеры использования метода резервирования узлов в автомобиле не являются типовыми, как это свойственно, например, производству радиоаппаратуры или машиностроению.

Для базовой части дорожных и строительных машин более понятно наличие дублирования функций, например, той же пары стоп–сигналов справа и слева или тормозных колодок задних колес в общей системе торможения.

Хотя в последней схеме основной идеей является необходимость стабилизации процессов, как это присуще торможению, ибо силы инерции справа и слева уравновешиваются. В примере со стоп–сигналами автомобиля существует необходимость расширения обзора или световой информации об объекте при его движении.

Если же мы рассматриваем оборудование, используемое для ремонта автомобилей, то для него примеры таковы: автоматическая замена инструмента станка при его износе; замена целого узла (например, шпинделя при износе его подшипников); увеличение опорных площадей (для направляющих) с целью уменьшения удельных давлений и, следовательно, уменьшения скорости изнашивания (происходит перераспределение нагрузки на добавочные резервные поверхности).

Укажем основные способы повышения надежности дорожных и строительных машин и оборудования [20, 25].

1. Создание надежных узлов и элементов путем рациональной конструкции и применения износостойких материалов. Большая сопротивляемость вредным воздействиям на узел уменьшает скорость потери его работоспособности, смещает кривую рассеивания сроков службы f(t) в область более высоких значений t и повышает вероятность безотказной работы за данный промежуток времени.

2. Повышение стабильности технологических процессов при изготовлении деталей машин инженерного применения. Это приводит к уменьшению рассеивания сроков службы. Поэтому даже при одинаковых средних значениях сроков службы можно повысить надежность элемента _{, что видно из рис. 6.11,а.}

3. Обкатка строительной машины и приработка механизмов её узлов позволяет выявить те недостатки изготовления и сборки, которые приводят к повышенным внезапным отказам в первый период работы машины.

Анализ параметра потока отказов λ (рис. 6.11, б) для экспоненциального закона показывает, что в первый период _t1 внезапные отказы имеют повышенное значение и поэтому его надо исключить из периода нормальной эксплуатации.

4. Защита машины инженерного применения от случайных перегрузок или вредных воздействий. В реальных условиях всегда можно ожидать, что любая случайная функция (например, функция, характеризующая силу в механизме) даст «выброс» за допустимый уровень (рис. 6.11, в).

Выброс, даже если он будет крайне редким, может привести к повреждениям, при которых машина выйдет из строя. Для того чтобы придать машинам защитные функции от таких случайностей, в них применяют механизмы, предохраняющие от перегрузки, которые размыкают кинематическую, электрическую цепь, если нагрузка превышает допустимое значение параметра.

5. Применение резервирования как метода создания надежных систем из элементов невысокой надежности.

6. Применение самовосстанавливающихся систем, которые при утрате начальных характеристик восстанавливают свои функции. Такие системы автоматической подналадки внедряют в конструкции машин, например, это автоматическая компенсация износа натяжной цепи, автоматическое регулирование температурных параметров и др.

7. Упрощение системы и создание узлов с меньшим числом кинематических цепей и изнашивающихся элементов всегда приводят к повышению надежности дорожных и строительных машины.

Создать более простую машину, выполняющую заданные функции, значительно труднее, чем сложную, так как это требует оригинальных, продуманных решений.

На основании вышесказанного проведем обобщение способов и показателей, отражающих повышение надежности и долговечности деталей, узлов и агрегатов машин.

Рис. 6.11. Повышение надежности узлов: а – повышение стабильности технологического процесса изготовления деталей; б – обкатка узла; в – защита от повышенных режимов

Способы и показатели, отражающие повышение надежности и долговечности элементов машин. При эксплуатации строительных машин считаем, что основной характеристикой среди многих показателей, является срок службы.

Долговечность – это свойство сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта, уточним оценку и методы повышения долговечности. Известно, что показателем долговечности может быть срок службы Тсл или ресурс Тр. При этом различают срок службы до первого капитального ремонта и межремонтный ресурс.

Для определения коэффициента долговечности необходимо установить его зависимость от сроков службы деталей машины. Считаем, что время простоя по причине ремонта данной детали или узла машины равно

(6.62)

где _Тi – срок службы i–й детали (узла) машины; _ТР – время (трудоемкость) ремонта i–й детали (узла), включая разборку, сборку и выверку.

Отношение показывает, сколько раз в течение периода, равного _ТР, ремонтировалась данная деталь.

Для определения необходимо брать тот период времени, когда имеются все виды простоев машины, то есть больше, чем срок службы любой детали машины. В итоге получаем значение коэффициента долговечности, выраженное через сроки службы и трудоемкость ремонта деталей объекта:

(6.63)

При периодических ремонтах, когда одновременно ремонтируется группа деталей, — время до очередного ремонта и — его трудоемкость (в единицах времени).

Таким образом, из формулы (6.63) видно, что основным методом повышения долговечности машин является сокращение времени, затрачиваемого на ремонт и повышение сроков службы его деталей. Видно, что коэффициент долговечности зависит от суммы, которая называется относительными ремонтными потерями:

_. (6.64)

Величина z — случайная, так как и Т и τ являются случайными величинами. Причем каждая из них характеризуется определенным рассеиванием значений. Основное влияние на рассеивание оказывает величина Т, так как величина τ изменяется незначительно.

Согласно теореме теории вероятностей математическое ожидание суммы случайных величин (как независимых, так и зависимых) равно сумме их математических ожиданий. Это значит, что для определения среднего значения z надо взять средние значения каждого из слагаемых ^τ_ι ^{/ Т} _ι^.

Если надо оценить возможные колебания значения z и соответственно , то следует определить дисперсию z по дисперсии слагаемых ^τ_ι ^{/ Т}_ι . Можно с достаточной степенью точности считать, что слагаемые суммы z – независимые величины. Тогда дисперсия величины z равна сумме дисперсий слагаемых. Это свидетельствует о том, что отклонение значений z может происходить в широких пределах.

Рассеивание сроков службы, как правило, приводит к их недоиспользованию, так как ремонт большинства деталей машин производится при плановых ремонтах через равные, оговоренные нормативами, промежутки времени. Например, средний срок службы детали с законом функционирования указанным на рис. 6.12 отражает возможность ее ремонта при (k+1) плановом ремонте, так как .

Однако в этом случае имеется большая вероятность того, что деталь не дослужит до

(k – j –1) ремонта, что приведет к росту межремонтных работ и к внезапности выхода из строя машины.

Вероятность преждевременного выхода детали из строя определяется площадью кривой распределения f(t)_{, см. рис.6.12.}

Поэтому надо либо назначать ремонт данной детали при k–м плановом ремонте и, следовательно, недоиспользовать ее срок службы, либо контролировать скорость изнашивания детали для предсказания ее действительного срока службы, либо увеличивать внеплановые ремонты. Какой путь выгоднее для данных реальных условий, показывает анализ z (или ) для различных вариантов.

Рис. 6.12. Влияние рассеивания сроков службы деталей на возможность включения их

в данный плановый ремонт

Следовательно, сроки службы деталей и их дисперсия, а также трудоемкость ремонта деталей и узлов оказывают основное влияние на значение коэффициента долговечности.

При оценке долговечности машины инженерного применения пользуются также понятием ресурса. За ресурс обычно принимают число часов, которое машина может проработать до капитального ремонта при условии, что затраты на его профилактику и ремонт находятся в пределах нормы.

Считается [18], что основные способы повышения долговечности машин следующие.

1. Создание условий для длительной работы узла.

К ним относятся: выбор необходимых материалов, уменьшение числа изнашивающихся сопряжений (создание более простых конструкций), смазка трущихся поверхностей, изоляция поверхностей от загрязнения.

Кроме этого, необходимо применять специальные методы проектирования, включая автоматизированного, которые должны способствовать повышению долговечности машины и учитывать законы изнашивания сопряжений и механизмов, оценку долговечности всей технической системы.

2. Выбор конструктивной схемы как автомобильной базы дорожной и строительной машины, так и механизма рабочих органов.

Выбор конструктивной схемы базового механизма, при которой износ сопряжений наименьшим образом влияет на нормальную работу навесного или встроенного рабочего органа, является общим условием проектирования долговечных высококачественных машин.

Отметим, что величина износа сопряжения узлов рабочих органов еще не характеризует степень нарушения нормальной работы механизма. При одних и тех же износах аналогичные механизмы в одном случае перестают правильно функционировать, а в другом работают еще продолжительное время.

3. Применять принцип равномерного износа. Нарушение правильной работы механизмов в результате их износа часто зависит не столько от величины износа, сколько от неравномерности его распределения по поверхности трения.

Например, неравномерный износ поверхностей распределительного вала двигателя уменьшает точность газораспределения; неравномерный износ по профилю рокеров искажает характер передаваемого закона движения; неравномерный износ цилиндров отрицательно влияет на мощность и виброустойчивость автомобиля как базовой машины.

4. Перенос усилий, действующих в механизме, с ответственных элементов на менее значимые. Уменьшение усилий в ответственных сопряжениях за счет более интенсивной работы менее ответственных элементов во многих случаях способствует значительному повышению долговечности всей конструкции.

Для повышения срока службы дорожной машины (не говоря о комфортности езды) применяют двойную разгрузку амортизирующих узлов, когда есть рессоры и газожидкостные амортизаторы.

В этом случае вес собственно машины воспринимает как бы подпружиненная система, а воздействие перевозимого груза воспринимается всей несущей системой автомобиля, а часть переносится на его элементы – рессоры.

5. Уменьшение трудоемкости ремонта за счет улучшения конструкции машины. Как показывает формула для коэффициента долговечности , долговечность техники можно повысить не только путем увеличения сроков службы деталей, но и путем сокращения трудоемкости ремонта его узлов и деталей. Главным в этом является конструкция машины, которая предопределяет основной объем ремонтных работ.

Количество изнашивающихся деталей в машине, трудоемкость сборочных и пригоночных работ при замене и ремонте износившихся деталей и технологичность конструкции – все эти факторы необходимо учитывать при конструировании машин.

Большое значение имеет быстросменность узлов и деталей, требующих частой замены.

6. Компенсация износа. Компенсация износа сопряжений увеличивает срок их службы и поэтому широко применяется в машинах, как, например: устройства для компенсации износа фрикционных муфт, подшипников скольжения и качения.

Компенсация износа не всегда полностью устраняет вредные последствия от износа сопряжений.

Компенсацию износа можно производить двумя основными методами. Периодическая компенсация, при которой по мере износа регулируется зазор или изменяется взаимное положение тел, требует постоянного наблюдения за работой механизмов и на нее обычно затрачивается много времени.

Наиболее прогрессивны методы автоматической компенсации износа, когда по мере износа сопряжений механизм самостоятельно выбирает зазор и обеспечивает правильность работы механизма.

Учитывая вышесказанное, можно обозначить общую схему методик расчета машин на долговечность и надежность. Для этого надо иметь возможность определять числовые значения коэффициентов надежности и долговечности для данного объекта, включая его конструктивные и технологические варианты, а также указать наиболее эффективные методы повышения показателей.

Общая схема расчета узлов, рабочих механизмов и всего базового автомобиля или платформы на надежность и долговечность может содержать следующие этапы.

Анализ показателей надежности и долговечности машин позволяет разработать наиболее эффективные мероприятия по их повышению.

Общая схема расчета строительной технологической машины на долговечность и надежность приведена на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Схема расчета машин на долговечность и надежность

1.Установление технических условий на параметры машины, в которые должны быть включены [8, 33]:

а) показатели надежности и долговечности машины – допустимые значения длительности безотказной работы машины и коэффициент надежности, суммарные простои машины за период эксплуатации или коэффициент долговечности, а также суммарные затраты средств на его обслуживание, ремонт и эксплуатацию;

б) показатели качества работы всех систем объекта – активная безопасность, комфортность, стабильная мощность, КПД, производительность и др.

2. Определение исходных физических закономерностей, влияющих на потерю материалами деталей своих начальных качеств.

3. Расчет изменения начальных параметров деталей строительной и дорожной машины. Этот расчет производят на основе физических закономерностей и конструктивной схемы узла. В зависимости от скорости процесса оценивают изменение показателей с течением времени. Оценку вероятности внезапных отказов объектов машины проводят путем их испытания или из сравнения с работой аналогичных конструкций или моделей автомобилей. На основании этих данных производят расчет вероятности безотказной работы сложной системы.

4. Установление предельных состояний (износов) и сроков службы Т деталей машины. Этот расчет производят с учетом технических условий на показатели качества работы строительной машины.

5. Расчет показателей долговечности и надежности; сравнение их с допустимыми значениями, установленными техническими условиями на машину. Коэффициент долговечности подсчитывают в зависимости от средних сроков службы отдельных узлов и деталей и трудоемкости их ремонта, см. формулу (6.63), а коэффициент надежности с учетом законов распределения сроков службы см. формулы (6.57) и (6.58).

Если показатели надежности и долговечности, то есть коэффициенты Р (t) и _, не удовлетворяют техническим условиям, то производят расчет, насколько у каких деталей необходимо повысить сроки службы для обеспечения технических условий.

Контрольные вопросы

1. Что является исходными данными для разработки требований к показателям надежности

элементов машин?

2. Укажите, какие этапы определяют выбор рациональной номенклатуры

показателей надежности.

3. Расскажите об основных методах повышения долговечности машин.

4. Что такое коэффициент, характеризующий простои αпр?

5. Чему равна вероятность безотказной работы системы?

6. Чему равна средняя наработка до отказа системы?

7. Чему равна вероятность отказа для рассматриваемой системы за период наработки t ?

8. Чему равно среднее число отказов системы ?

9. Чему равна интенсивность потока отказов системы ?

10. Что понимают под наработкой на отказ системы на интервале t₁ t₂?

11. Чему равно среднее число отказов за период наработки t₁ и t₂?

12. Как определить коэффициент готовности Кг, машин?

13. Чему равен общий поток отказов агрегатов, если известна

интенсивность отказов i–го агрегата?

14. Как определить наработку на отказ системы Т_О.СИС , если

известна наработка отдельного агрегата Т_О.i?

15. Как строится структурная схема распределения элементов в машине?

16 . Укажите формулу, описывающую срок службы машины, если процессы

подчиняются нормальному закону распределения?

17. Указжите этапы методики расчета деталей машин на изнашивание?

18. Как определить время простоя по причине ремонта узла машины?

19. Чему равен коэффициент долговечности, выраженный через сроки

службы и трудоемкость ремонта деталей объекта?

20. Какова общая схема расчета строительной технологической машины на долговечность и

надежность?

21. Расскажите об основных способах повышения долговечности машин.

22. Расскажите об основным методе повышения долговечности машин.