Конспект лекций по КММ

составе встроенный тахогенератор, например, двигатели серий ДПМ, ДП, ДПУ, ПЯ.

скорости (рис. 13.39) световой поток от источника излучения 1, проходя через отверстия или прорези в диске 2, попадает на чувствительную поверхность фотоприемника 3, генерируя в нем электрические импульсы с частотой, Гц:

f at ,

где а – число импульсов; t – время перемещения подвижного элемен- та-диска (при линейном перемещении - линейки), с.

Угловую скорость диска, а соответственно и вала на котором он закреплен, определяют в виде, рад/с:

f 2 f , N

где α – значение одного импульса, рад; N – число отверстий или прорезей вдоль окружности диска.

В фотоимпульсном датчике линейной скорости, содержащей линейку с равномерно распределенными на ней отверстиями или прорезями, частоту генерируемых в фотоприемнике электрических импульсов определяют по приведенной выше формуле.

Линейную скорость линейки, а соответственно и поступательно перемещающегося элемента мехатронного модуля с которым она скреплена, определяют в виде, м/с:

v B f LNf ,

365

Глава 14 НАДЕЖНОСТЬ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ

14.1. Основные понятия надежности

Надежность (общая) – свойство объекта (изделия) сохранять во времени в установленных пределах все параметры, обеспечивающие выполнение требуемых функций в заданных условиях эксплуатации

[33].

Современные мехатронные модули состоят из различных взаимодействующих механических, электромеханических, электронных и информационных устройств. Отказ в работе хотя бы одного элемента такой сложной системы может привести к нарушению работы всего мехатронного модуля.

В теории надежности рассматривают следующие обобщенные объекты:

изделие – единица продукции, выпускаемая данным предприятием, цехом и т. д. (например подшипник, зубчатое колесо, электродвигатель, мехатронный модуль, мехатронное устройство, промышленный робот);

элемент – простейшая при данном рассмотрении составная часть изделия, состоящая из одной или нескольких деталей;

система – совокупность совместно действующих элементов, предназначенная для самостоятельного выполнения заданных функций.

Понятия элемента и системы трансформируются друг в друга в зависимости от поставленной задачи. Мехатронный модуль при установлении его собственной надежности рассматривают как систему, состоящую из отдельных элементов – преобразователей движения, деталей и т.д., а при изучении надежности робота – как элемент.

Надежность характеризуют следующими основными состояниями и событиями [33,37].

Работоспособность – состояние изделия при котором оно способно нормально выполнять заданные функции.

Исправность – состояние изделия, при котором оно удовлетворяет всем не только основным, но и вспомогательным требованиям.

Неисправность – состояние изделия, при котором оно не соответствует хотя бы одному из требований технической документации. Различают неисправности не приводящие к отказам, и неисправности и их сочетания приводящие к отказам.

Отказ – событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности. Их делят на отказы функционирования, при ко-

торых выполнение своих функций рассматриваемым элементом или объектом прекращается (например, поломка зубьев зубчатого колеса), и отказы параметрические, при которых некоторые параметры объекта изменяются в недопустимых пределах (например, изменение точности работы мехатронного модуля). Отказы делят на внезапные (поломки от перегрузок, заедания), постепенные по развитию и внезапные по проявлению (усталостные разрушения, перегорания ламп, короткие замыкания из-за старения изоляции) и постепенные (износ, старение, коррозия, залипание).

По причинам возникновения отказы делят на конструкционные, вызванные недостатками конструкции, технологические, вызванные несовершенством или нарушением технологии, и эксплуатационные, вызванные неправильной эксплуатацией.

Отказы в соответствии со своей физической природой бывают связаны с разрушением деталей или их поверхностей (поломки, выкрашивание, износ, коррозия, старение) или не связаны с разрушением (засорение каналов подачи рабочей жидкости в гидроприводах, ослабление соединений, загрязнение или ослабление электроконтактов).

По возможности дальнейшего использования изделия отказы разделяют на полные, исключающие возможность работы изделия до их устранения, и частичные, при которых изделие может частично использоваться.

По сложности устранения различают отказы, устранимые в порядке технического обслуживания, в порядке среднего или капитального ремонта и по месту устранения – устранимые в эксплуатационных и стационарных условиях.

По времени возникновения отказы делят на приработочные, возникающие в первый период эксплуатации, связанные с отсутствием приработки и с попаданием на сборку дефектных элементов; при нормальной эксплуатации (за период до появления износных отказов); износовые.

14.2. Характеристики надежности

Основными характеристиками надежности являются: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость [33].

Безотказность – свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени или наработки. Это свойство особенно важно для ПР, отказ в работе которых связан с опасностью для жизни человека, с перерывами в работе и остановкой автоматизированного производства или с браком дорогого изделия.

Показатели безотказности. Вероятность безотказной работы P(t0) – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ не возникнет:

P t0 1 F t0 ,

где F(t0) – функция распределения наработки до отказа.

Средняя наработка до отказа – математическое ожидание наработки до отказа невосстанавливаемого изделия. Под наработкой понимают продолжительность или объем выполненной работы объектом.

Средняя наработка на отказ – отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.

Интенсивность отказов (t) – условная плотность вероятности возникновения отказа невосстановленного объекта для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого времени отказ не возник. Ее определяют как отношение среднего числа отказавших в единицу времени (или наработки в других единицах) объектов к числу объектов, оставшихся работоспособными:

где n – число изделий, отказавших при испытании в течение интервала времени t; N – общее число испытанных изделий.

Для большинства объектов зависимость (t) можно изобразить кривой (рис. 14.1), имеющей три участка.

Рис. 14.1

Первый участок 0 t t1 называют периодом приработки или периодом ранних отказов. Появление отказов в этот период обычно вызвано конструктивными или производственными дефектами. Вто-

рой участок t1 t t2 постоянной интенсивности характеризует нормальную эксплуатацию на этом участке P t e t . Третий участок

называют периодом износовых отказов.

Параметр потока отказов – показатель надежности восстанавливаемых изделий, равный отношению среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольно малую его наработку к значению этой наработки (соответствует интенсивности отказов для неремонтируемых изделий, но включает повторные отказы).

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта.

Показатели долговечности. Технический ресурс (ресурс) – наработка объекта от начала его эксплуатации или возобновления эксплуатации после ремонта до предельного состояния. Ресурс выражают в единицах времени работы (часах), длины пути (километрах) и в единицах выпуска продукции. Для невосстанавливаемых изделий понятия технического ресурса и наработки до отказа совпадают.

Срок службы – календарная наработка до предельного состояния. Выражают обычно в годах. Для деталей мехатронных модулей в качестве критерия долговечности используют технический ресурс.

Показатели долговечности делят на гамма-процентные, средние до текущего (или капитального) ремонта, полные, средние до списания. Они характеризуют долговечность изделий при заданной вероятности сохранения работоспособности. Например, гамма-процентный ресурс t – наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью , выраженной в процентах.

Для изделий серийного и массового производства наиболее часто используют 90% ресурс. Если отказ опасен для жизни людей, -ресурс приближают к 100%.

Ремонтопригодность – приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять значение показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после установленного срока хранения и транспортирования.

Показатели ремонтопригодности и сохраняемости. Среднее время восстановления работоспособного состояния, срок сохраняемости средний и -процентный.

Комплексные показатели надежности. Коэффициент техниче-

ского использования – отношение математического ожидания време-

ни работоспособного состояния за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий времени работоспособного состояния и всех простоев для ремонтов и технического обслуживания.

Коэффициент готовности – вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме периодов, в которых эксплуатация не предусматривается. Его определяют как отношение математического ожидания времени нахождения в работоспособном состоянии к математическим ожиданиям суммы этого времени и времени внеплановых ремонтов.

14.3. Безотказность

Основным показателем безотказности является вероятность P(t) безотказной работы – вероятность того, что в течение заданного времени или заданной наработки отказ не возникнет.

Вероятность безотказной работы оценивают относительным количеством работоспособных элементов:

P t NNP 1 Nn 1 Q t ,

где N – общее число испытанных (эксплуатируемых) образцов; NP – число работоспособных образцов после испытаний (эксплуатации); n

– число отказавших образцов после испытаний; Q(t)- вероятность отказа, оцениваемая относительным числом отказов:

Q t n . N

Так как безотказная работа и отказ взаимно противоположные

события, то

P t Q t 1.

При t=0 и n=0 получим Q(t)=0 и P(t)=1.

При t= и n=N, Q(t)=1 и P(t)=0.

Распределение отказов по времени характеризуют функцией

плотности распределения f(t) наработки до отказа. В статистической трактовке:

В этом случае вероятность безотказной работы:

Она подчиняется экспоненциальному закону распределения времени безотказной работы.

Если, как обычно, t 01, , то

никает за время t mt и только 36,8% позднее. Для обеспечения вероятности безотказной работы 0,9 или 0,99 можно использовать только малую долю среднего срока службы (соответственно 0,1 или 0,01).

Если работа изделия происходит при разных режимах, а следовательно, и интенсивностях отказов 1 (за время t1) и 2 (за время t2), то:

P t e 1t1 2t2 .

Для определения на основании опытов интенсивности отказов оценивают среднюю наработку до отказа:

1 K

mt t N ti ,

i 1

где N – общее число наблюдений (изделий); ti – длительность i – го промежутка времени; K – число промежутков времени.

Тогда

1 . t

Среднее число n изделий, которое выйдет из строя к заданному моменту времени при t 01, :

nN t

исреднее число NP изделий, которые останутся работоспособными:

N P N 1 t .