книги из ГПНТБ / Стандартизация и качество машин учеб. пособие

Д о л г о в е ч н о с т ь — свойство изделия сохранять работоспо­ собность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.

Предельное состояние определяется физической невозможно­ стью дальнейшей эксплуатации изделия либо недопустимым сниже­ нием эффективности, либо требованиями безопасности и оговари­ вается в технической документации.

Долговечность — свойство наиболее важное для машин, прибо­ ров и оборудования общепромышленного применения, которые в большинстве случаев относятся к категории ремонтируемых. От та­ ких машин требуется, чтобы они обеспечивали выполнение своих функций в течение сравнительно продолжительного времени. При этом не исключается возможность простоя оборудования для прове­ дения технического обслуживания или ремонта. К числу таких из­ делий относятся тракторы, автомобили, станки, электродвигатели и многие другие.

Р е м о н т о п р и г о д н о с т ь — свойство изделия, заключаю­ щееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения техниче­ ского обслуживания и ремонтов. Под устранением отказов подразу­ мевается восстановление работоспособности. Это свойство преду­ сматривает, что ремонтируемые изделия должны иметь такие кон­ структивные решения, которые позволяли бы быстро обнаруживать отказы н производить восстановление или замену отказавших эле­ ментов. Так, электронно-вычислительные машины с целью повыше­ ния их ремонтоспособности стали конструировать в виде отдельных блоков. В результате отпала необходимость отыскания отказа от­ дельного элемента (лампы, сопротивления или конденсатора), что являлось очень трудоемкой операцией. В современных машинах предусмотрено такое конструктивное исполнение, при котором быст­ ро отыскивается и легко заменяется блок, если в нем отказал один из элементов. Поиск неисправного блока автоматизирован, машина сама сигнализирует о месте отказа.

Ремонтопригодность является одним из основных свойств для

ные эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортирования, установленного в технической документации. Этим свойством должно гарантироваться, что изделие как в про­ цессе, так и после определенного времени хранения будет работо­ способно. Это требование особенно важно для тех видов продукции, для которых предусматривается, например, сезонная эксплуатация (большинство сельскохозяйственных машин) или которые вступают в эксплуатацию в особых условиях (противопожарная техника, средства сигнализации, оборонная техника и т. д.).

Из сказанного не следует, что изделия можно классифицировать по тем свойствам надежности, которым они должны удовлетворять. Для большинства изделий одинаково важными бывают несколько

40

свойств, например, долговечность и ремонтопригодность, безотказ­ ность, сохраняемость и ремонтопригодность.

Показатели надежности и методы их оценки. Все показатели надежности носят случайный характер и поэтому для их определе­ ния необходимо использовать методы теории вероятностей, матема­ тической статистики и теории случайных функций.

Надежность изделий и технических систем характеризуется це­ лым рядом показателей, которые могут быть как единичными, ха­ рактеризующими количественно одно из четырех свойств надежно­

основную роль в обеспечении работоспособности системы. Можно говорить, например, о показателях, характеризующих надежность автоматизированной системы управления производством (АСУП), о показателях надежности единой системы технологической под­ готовки производства (ЕСТПП), а также о показателях надежности машины и даже детали. Немаловажную роль в обеспечении надеж­ ности систем играют организационные факторы, выполнение кото­ рых целиком зависит от целенаправленной деятельности админист­ ративно-хозяйственного аппарата и технических служб, а также от деятельности человека-оператора. В дальнейшем изложении мы не будем специально делать подразделения показателей на показа­ тели надежности изделий и систем. Во всех случаях, говоря о пока­ зателях надежности изделий, будем считать, что они распростра­ няются на показатели надежности технических систем.

Показатели надежности могут выражаться в единицах нарабо­ ток, в календарной продолжительности эксплуатации, в вероятно­ стях или в виде отдельных коэффициентов (безразмерных или отно­ сительных) .

Прежде чем характеризовать показатели надежности и давать примеры их расчета, необходимо остановиться на основных законах распределения случайных величин, которым подчиняются наработ­ ки, сроки службы и другие временные параметры. Нормальному закону могут подчиняться наработки изделий, у которых причиной

-где ц — математическое ожидание случайной величины; о — ее среднее квадратическое отклонение;

t — наработка.

График функции имеет вид, представленный на рис. 3, где в ка* честве переменной х откладывают время 1

41

Экспоненциальный закон распределения могут иметь наработки изделий между внезапными отказами, происходящими из-за по­ грешностей конструирования, технологии или нарушения условий эксплуатации. Функция плотности в этом случае имеет вид:

Для экспоненциального закона среднее значение наработки равно среднему квадратическому отклонению. Экспоненциальный закон распределения могут иметь наработки сложных изделий, состоящих из большого количества элементов

Закону Вейбулла могут подчиняться наработки изделий, у кото­ рых отказы происходят из-за усталостных разрушений. Функция

го, что в заданном интервале времени или в пределах заданной на­ работки не возникает отказ изделия. Вероятность безотказной рабо­ ты по опытным данным может оцениваться по формуле

где P('t) — вероятность безотказной работы до момента времени: N (/) — число изделий, отказавших к моменту времени t\

N — число изделий, подвергнутых испытанию.

Формула (42) дает достаточно точную оценку только для тех случаев, когда испытания проводятся до отказа всех изделий и от­ казавшие изделия не заменяются на новые.

Пример 5. По данным эксплуатационных наблюдений за 310 двигателями получены наработки до отказа, приведенные в табл. 2 (тыс. км пробега).

42

В первой графе таблицы приведены 14 интервалов, на которые разбиты на­ работки всех двигателей, во второй указаны серединные значения пробега для каждого интервала, а в третьей — число двигателей, которые имеют указанный интервал пробега. Например, два двигателя имеют пробег 20—30 тыс. км, во­ семь— 30—40 и 16—40—50 тыс. км и т. д.

Для статистической оценки вероятности безотказной работы поступают сле-

т.[

дующим образом. Вначале вычисляют частости отказов, равные — . Например,

^ = 0 ,0 0 6 4 ; щ - 0,0254 и т. д.

График частостей характеризует функцию плотности вероятностей, которую обычно строят по частотам или частостям. На рис. 7 изображен эмпирический график (полигон распределений) наработок двигателей автомобилей.

Просуммировав частости, получают эмпирическую функцию распределения (графа 5). После вычитания этих значений из единицы получают распределение вероятностей безотказной работы P(i) (графа 6).

В тех случаях, когда значения переменной разбиты на интервалы, как в рас­ сматриваемом примере, за значение t следует принимать верхнее значение интер­

вала. Например, вероятность безотказной работы до 30 тыс. км пробега равна 0.9936, до 40 тыс. км — 0,9682 и т. д. График функции P(t) приведен на рис. 8.

где ср (•/) — функция плотности вероятностей наработок.

43

Величина P(t) существенно зависит от правильности выбора функции плотности вероятностей.

С р е д н я я н а р а б о т к а до п е р в о г о о т к а з а — среднее значение наработки изделий в партии до первого отказа, определяе­ мое по опытным данным из выражения

где Гер — средняя наработка до первого отказа; U — наработка до отказа /-го изделия;

N — число испытываемых изделий.

Если число N велико и опытные данные сгруппированы по интер­ валам наработок (как это сделано в табл. 2), то величина Гср опре­ деляется из выражения

f=i

Формулы (44) и (45) справедливы для случая, когда испытания проводятся до отказа всех изделий и в процессе испытаний отказав­ шие изделия не заменяются на новые.

44

Пример 6. В табл. 2 приведены наработки 310 двигателей до отказа. Для уп­ рощения вычислений заполняем графу 7 таблицы, в которую заносим значения

В тех случаях, когда N мало (менее 20), величина Гср, определен­ ная по опытным данным, может давать большую ошибку. Поэтому для оценки действительных значений наработок до первого отказа всей совокупности выпущенных изделий данного типа (генеральной совокупности) требуется строить доверительные интервалы.

Если заданы функции плотностей наработок до первого отказа, то ГСр определяется из выражения

Вданном случае Гср равно математическому ожиданию. Для нормального закона

00 - п -а)*

Г ср= — j= te 2°‘ dt = а;

о у 2г. 6

для экспоненциального

оЛ

для закона Вейбулла

И н т е н с и в н о с т ь о т к а з о в — вероятность отказа перемон­ тируемого изделия в единицу времени после данного момента вре­ мени при условии, что отказ до этого момента не возник.

где AN — число изделий, отказавших за время At;

At — достаточно малый промежуток времени после момента N{t) — число изделий, работоспособных в момент времени t. Определим величину интенсивности отказов для данных, приве­

денных в табл. 2. Результаты расчета интенсивности отказов двига­ телей сведены в табл. 3.

45

Для нормального закона и распределения Вейбулла величина К(1) увеличивается с увеличением t. Для экспоненциального закона Х(7) не зависит от времени, т. е.

Л(/) = X= con st.

46

Обычно назначают некоторую максимально допустимую величи­ ну интенсивности отказов Хцр (предельное значение ^), при дости­ жении которой эксплуатация изделий или практически невозможна, или экономически неоправдана. Величина tcп, соответствующая А,цр, определяет момент списания изделия (по величине интенсивностиотказов).

Вероятность безотказной работы, средняя наработка до первого отказа и интенсивность отказов являются основными показателями, характеризующими безотказность изделий.

'' Для иллюстрации показателей долговечности и ремонтопригод­ ности рассмотрим упрощенную схему периодов работы и простоя изделий (моменты простоя по организационным причинам из рас­

списания (tсп) изделие какие-то моменты времени l\, t2, . . . , tn ра­ ботоспособно и выполняет свои функции. Для поддержания работо­ способности изделия должны проходить техническое обслуживание и различного вида ремонты в промежутки времени ti, х2, . . . , xn-i- Показатели долговечности могут выражаться в единицах време­

монтируемого изделия между отказами. Из рис. 10 видно, что нара­ ботка на отказ равна

П

£ U

где -U— наработки до первого, второго, . . . , n-го отказов;

п — число отказов от момента начала эксплуатации изделиядо его списания.

П а р а м е т р п о т о к а о т к а з о в — среднее количество отка­ зов ремонтируемого изделия в единицу времени, взятое для рассмат­ риваемого момента времени.

Если на протяжении некоторого времени t у каждого из наблю­ даемых N изделий произошло rrii (•/) отказов, то среднее количества отказов одного изделия за время i будет

47

А

2 »ч (О

1=1

тср — (49)

N

Если количество наблюдаемых изделий очень велико, то эта ве­ личина будет называться х а р а к т е р и с т и к о й п о т о к а о т к а ­ зов:

Тогда точное уравнение для определения параметра потока отказов запишется так

и превышает в среднем обусловленное число (у) процентов изделий данного тила.

Н а з н а ч е н н ы й р е с у р с — наработка изделия, при дости­ жении которой эксплуатация его должна быть прекращена незави­ симо от состояния изделия.

С р о к с л у ж б ы — календарная продолжительность эксплу­ атации изделия до момента возникновения предельного состояния, оговоренного в технической документации, или до списания. Следует различать «срок службы до первого капитального (среднего) ре­ монта», «срок службы между капитальными ремонтами», «срок службы до списания».

В отличие от показателей, имеющих размерность наработки, эта группа показателей учитывает только календарную продолжитель­ ность эксплуатации изделия независимо от фактического времени эксплуатации (или наработок) за этот календарный срок.

С р о к г а р а н т и и — период, в течение которого изготовитель гарантирует' и обеспечивает выполнение установленных требований

вершения которой изготовитель гарантирует и обеспечивает выпол­

48

нение определенных требований к изделию при условии соблюдения потребителем правил эксплуатации, в том числе правил хранения и транспортирования. Срок гарантии и гарантийная наработка уста­ навливаются в технической документации или договорах между из­ готовителем и заказчиком.

Отличие между сроком гарантии и гарантийной наработкой со­ стоит в том, что в первом случае гарантия назначается в календар­ ных единицах времени, во втором — в единицах наработки.

К основным показателям ремонтопригодности относятся сле­ дующие.

С р е д н е е в р е м я в о с с т а н о в л е н и я — среднее время вы­ нужденного или регламентированного простоя, вызванного отыска­ нием и устранением одного отказа.

где i — порядковый номер отказа;

тi — среднее время отыскания и устранения /-го отказа.

Если задана функция плотности вероятности времени восстанов­

С р е д н я я т р у д о е м к о с т ь т е х н и ч е с к о г о о б с л у ж и ­ в а н и я — средняя величина времени в нормо-часах, затрачиваемого на проведение технических обслуживаний изделия.

Широкое распространение в практике оценки надежности меха­ нических систем получили два комплексных показателя (коэффи­ циент технического использования и коэффициент готовности), ха­ рактеризующие одновременно свойство долговечности и ремонто­ пригодности.

К о э ф ф и ц и е н т т е х н и ч е с к о г о и с п о л ь з о в а н и я — отношение наработки изделия в единицах времени за некоторый пе­ риод эксплуатации к сумме этой наработки и времени всех простоев, вызванных техническим обслуживанием и ремонтами за тот же пе­ риод эксплуатации:

ское обслуживание.

К о э ф ф и ц и е н т г о т о в н о с т и — отношение наработки на