книги из ГПНТБ / Бескровный Н.Т. Экономика и оптимизация надежности и ремонта горношахтного оборудования

соединению, вероятность безотказной работы при условии, что оста­ льные элементы системы имеют абсолютную надежность, окажется равной

Рг 2= 1 —(1—Р)2= 0,91.

Если допустимая граница вероятности безотказной работы равна t-Pmlnl = 0>9, то полученная величина Р 1ліприемлема. При желании повысить надежность системы узла можно подключить к двум эле­

ментам третий, в результате получим Р 1і2,з = 1 — (1 — Р)3 = 0,973. В этом случае отказ одного из элементов вызовет лишь снижение вероятности безотказной работы системы с 0,973 до 0,91.

Следует отметить, что введение резерв­

вного элемента — ие единственный путь к обеспечению желаемой, т. е. равной 0,973 вероятности безотказной работы. Такой же эффект можно получить, оставив два элемента при условии, что вероятность

безотказной работы каждого из них бу­ дет доведена до 0,83. Очевидно, можно обойтись одним элементом, но высокой надежности (Р 1 = 0,973).

Таким образом, к получению необхо­ димой вероятности безотказной работы можно прийти введением резервных эле­ ментов (резервирование). Однако этот путь не единственный. Как видно из приведен­ ного выше примера, возможно введение резервов по параметру, определяющему вероятность безотказной работы элемента.

В машине введение избыточных дета­ лей, узлов и агрегатов ведет к ухудшению ее показателей: весовых, габаритных, стои­

мостных и др. Усложнение машины избыточными элементами допустимо только в том случае, если эффект от резервирования се­ бя оправдывает. К резервированию как к средству создания надеж­ ных изделий из менее надежных элементов прибегают обычно в случаях недостаточной надежности элементов изделия при невоз­ можности ее повысить более простыми средствами.

Идея резервирования по параметру является понятием более

Параметры машины выбираются обычно с некоторым запасом. С учетом запаса прочности назначают размеры нагруженных деталей, с запасом выбирают мощность двигателя, с запасом принимают пока­ затели изнашиваемых или подвергаемых нагреву элементов и т. д. Нормирование и назначение всех этих запасов можно связать с пока­ зателями надежности и таким образом, не прибегая к введению

30

-избыточных элементов, при расчете достичь необходимого уровня надежности изделия, создавая нужный резерв по соответствующему параметру машины. Поясним это на следующем примере.

Обычно считают, что если какой-либо конструктивный элемент 1 (рис. 8, а) испытывает рабочее напряжение цр = P/F (где F — пло­ щадь сечения элемента), а предельное напряжение материала сгпр >

>Стр, то он имеет запас прочности п = сгпр/0р > 1. Подходя к этой

же задаче статистически, положим для простоты, что случайная нагрузка элемента вызывает в нем рабочие напряжения, подчиняю­ щиеся нормальному закону распределения (рис. 9, кривдя 1) с мате­ матическим ожиданием ар и дисперсией Аа, в то же-время предель­ ное напряжение сохраняет опреде­ ленное значение апр. В этом случае

ПРИ птІП < апР < crmax появляется большая ( или меньшая вероятность того, что а,, > сгпр, т. е. наступит разрушение. Для вероятности отсут­ ствия разрушения должно быть

>

мент 2 (см. рис. 8, б). Теперь нагрузка Р распределится между

X ■с . В результате кривая распределения рабочих напряже­

ний сместится (см. рис. 9, кривая 2), а вероятность безотказной работы элемента возрастет. Тот же эффект получится, если заменить оба элемента одним элементом 3 (см. рис. 8, в) с площадью сечения,,

Условимся называть запасом надежности (прочности) равенство [»] = 'апр/ар, в котором Ор — случайная величина, а апр имеет опре­ деленное значение. В задачах подобного типа принято и предельные напряжения рассматривать как случайную величину. Однако здесь рассматривается более простой случай.

По формуле (55) построим кривые вероятности работы элемента без разрушения, т. е. при ор ^ апр (рис. 10). Здесь кривые соответ-

31

ствуют различным значениям дисперсии, а практические существен­

Таким образом, запас прочности можно связать с показателями надежности — вероятностьк^безотказной работы. В результате запас

Подобные расчеты позволяют установить связь между запасом надежности и эквивалентным ему числом резервных элементов. Пола­ гая, что резервный элемент имеет такое же сечение, как и основной, и что V — 0,25, получим

Таким образом, увеличение запаса надежности одного элемента с 1 до 1,4 дает такой же эффект, как и включение помимо основного двух резервных элементов.

Так как в процессе эксплуатации на машину могут действовать различные факторы, величина которых изменяется случайным обра­ зом, оказывается недостаточным при проектировании узлов и машин в целом ограничиваться расчетом по номинальным значениям пара­ метров.

Одним из подходов к проектированию отдельных узлов и схем является использование так Называемого критерия «худшего слу­ чая». Он исходит из требования нормального функционирования элемента при условии, что отдельные параметры элементов и факто­ ров эксплуатации в любых комбинациях одновременно приобретают наихудшие значения на границах областей допустимых значений. При этом полностью отвлекаются от вероятностной природы измене­ ния отдельных параметров и факторов, считая их зафиксированными

32

в этих точках. Это приводит к конструированию узлов и схем с некоторым запасом прочности или запасом но устойчивости работы. Однако при этом не учитывается изменения свойств элемента в про­ цессе эксплуатации.

Другим подходом к проектированию отдельных узлов и схем является использование характеристик возможных отклонений пара­ метров элемента, а именно распределения этих параметров при заданном времени работы и условиях эксплуатации. По этому во­ просу имеется ряд литературных источников, комментарии к которым приведены в [57]. Однако математическая сторона данной методики слабо разработана, поэтому прибегают к эмпирическому способу проверки Правильности такого подхода, который состоит в прове­ дении экспериментов типа граничных испытаний аппаратуры и от­ дельных ее узлов.

Как указывалось выше, в процессе проектирования систем, машин, отдельных узлов и конструкций системы общепромышлен­ ного назначения в большинстве случаев достижение высокой (абсо­ лютной) надежности ограничивается возрастанием стоимости. Специ­ фические условия горных работ (стесненность рабочего пространства, ограниченная площадь обнаженной кровли) накладывают значитель­ ные ограничения также на массу и объем оборудования.

Поэтому возникает необходимость найти такие проектные реше­ ния, которые наилучшим образом удовлетворяли бы различным, зачастую противоречивым, требованиям.

В работе [10] показано, что применение математических методов при наличии количественных параметров надёжности, стоимости, массы, размеров и прочих элементов проектируемой системы (изделия) позволяет разработать оптимальную по различным рассматриваемым проектным показателям систему, резервирование элементов которой

ВОЗіМОЖНО.

Математически задача сводится к определению условий, при которых исследуемый параметр приобретает экстремальное (для надежности максимальное, для массы, основных размеров — мини­ мальное) значение при условии соблюдения остальных ограничиваю­ щих требований (заданная стоимость изделия, массо-габаритные размеры или заданный уровень надежности). Другими словами, может быть поставлена и решена задача достижения максимальной вероятности безотказной работы изделия при заданных ограничениях (стоимость, масса и размеры изделия не должны превышать наперед заданных величин) или достижения минимального ’ значения одного из показателей (масса, объем, стоимость) при заданном уровне вероят­ ности безотказной работы.

Решение этих задач предложено проводить применяя метод, неопределенных множителей Лагранжа нахождения условного экстремума функций с последующим приведением решения к це­ лочисленному с помощью специально разработанного алгоритма.

Предложенные методы оптимизации надежности, массы, основ­ ных размеров и стоимостных параметров технических систем

с использованием метода решения задачи об условном экстремуме и приведения этого решения к целочисленному позволяют объективно подойти к решению задачи оптимального поэлементного резерви­ рования.

Порядок разработки, изготовления, испытания п принятие на промьпйленное производство новых изделий

для угольной промышленности

На заводах угольного машиностроения работы по созданию новых изделий осуществляются, как правило, в три этапа: создание опытного (экспериментального) образца, создание опытно-промыш­ ленных образцов (партий) и освоение промышленного производства.

Первичными и обязательными документами для выполнения ра­ бот по созданию новых изделий для угольной промышленности явля­ ются технико-экономические требования (ТЭТ) и карточка-заявка.

Всоздании новых изделий участвуют научно-исследовательские

ипроектно-конструкторские институты, машиностроительные за­ воды и угольные предприятия, каждый из которых несет ответст­ венность за определенные участки работ.

Научно-исследовательские институты Министерства угольной про­ мышленности СССР несут ответственность за своевременную и каче­ ственную разработку технико-экономических требований на новые изделия для угольной промышленности, за правильный выбор места и за содержание программы и методики испытаний опытных (экспериментальных) и опытно-промышленных образцов (партий) новых изделий, за качественное проведение промышленных испыта­ ний, своевременное составление и представление отсчета об их испытаниях.

Конструкторские организации Министерства тяжелого, энерге­ тического и транспортного машиностроения СССР несут ответствен­ ность за своевременную и качественную разработку технической доку­ ментации на новые изделия в соответствии с утвержденными технико­ экономическими требованиями или техническим заданием, за высокое качество изделия, за соответствие технической документации дей­ ствующим стандартам и нормалям, а также наравне с предприятиями угольной промышленности несут ответственность за содержание про­ граммы и методики испытаний, за качественное проведение испыта­ ний и обоснованность выводов и предложений по дальнейшим рабо­ там с новым изделием.

Предприятия и организации угольной промышленности (шахты, разрезы, обогатительные фабрики, комбинаты) несут ответствен­ ность за сроки и качество подготовки места и проведение испытаний в соответствии с утвержденной программой и методикой, за обеспе­ чение испытаний необходимым вспомогательным оборудованием, рабочими кадрами и ИТР, за создание на предприятиях условий, обеспечивающих наиболее полное выявление показателей и харак­ теристик испытываемого образца новых изделий.

34

Заводы-изготовители нового оборудования несут ответственность за сроки и качество изготовления образцов новых изделий и соот­ ветствие их рабочим чертежам, за качественное проведение завод­ ских испытаний в соответствии с утвержденными программами и методиками, и своевременное обеспечение испытываемых новых изделий частями, деталями и узлами взамен вышедших из строя при проведении промышленных испытаний.

Первый этап работ по созданию новых изделий — создание опыт­ ного (экспериментального) образца — включает стадии конструк­ торской разработки технической документации (эскизный, техничёский и рабочий проекты), а также изготовление опытного образца, заводские испытания и междуведомственные промышленные испы­ тания.

Опытные (экспериментальные) образцы новых изделий изгота­ вливают, как правило, научно-исследовательские и конструкторские институты на своих экспериментальных базах; в отдельных случаях решениями министерства изготовление этих образцов поручается машиностроительным заводам.

Изготовленные опытные образцы принимают заводские ОТК и затем производят заводские и промышленные испытания.

В процессе заводских испытаний нового изделия и по их резуль­ татам конструкторская организация и завод-изготовитель осущест­ вляют все необходимые конструктивные и технологические измене­ ния в опытном образце без ухудшения его параметров.

Результаты заводских испытаний опытного образца нового изде­ лия оформляют актом.

После заводских испытаний проводят промышленные испытания. Условия междуведомственных промышленных испытаний должны максимально соответствовать определённой в ТЭТ области примене­ ния и обеспечивать возможность выявления его эксплуатационных качеств, фактических параметров и технико-экономических показа­

телей.

Программа и методика междуведомственных промышленных испытаний должны предусматривать получение всех необходимых данных, технико-экономических и других показателей для опреде­ ления соответствия нового изделия ТЭТ в условиях эксплуатации.

Результаты междуведомственных промышленных испытаний оформляют актом. При выявлении в процессе испытаний несоответ­ ствия опытного (экспериментального) образца изделия требованиям заказчика в акте испытаний междуведомственная комиссия отмечает основные недостатки, дает предложения о целесообразности и напра­ влении дальнейшего развития работ и использования образца.

Началом второго этапа работ по созданию новых изделий является разработка технического задания на проектирование, которое является исходным и обязательным документом для конструкторской разработки опытно-промышленных образцов (йартий) нового изде­ лия или для модернизации изделия. На основе утвержденного техни­ ческого задания производят конструкторскую разработкз' изделия,

которая предусматривает выполнение эскизно-технического проекта и рабочего проекта или корректировку рабочего проекта опытного (экспериментального) образца по результатам промышленных испы­ таний. Затем идут стадии изготовления опытно-промышленных образцов (партии), заводских ' испытаний и приемочных между­ ведомственных промышленных испытаний.

Изготовление опытно-промышленных образцов (партий) нового изделия производят на машиностроительных заводах, которым, как правило, поручено серийное производство изделия.

Количество опытно-промышленных образцов, подлежащих изго­ товлению, устанавливают при утверждении технического задания.

Изготовленные опытно-промышленные образцы (партия) нового изделия принимает заводской ОТК. После этого проводят заводские и промышленные испытания для проверки соответствия изделия, утвержденному техническому заданию, установления комплектности

татам завод-изготовитель осуществляет все необходимые конструк­ тивные и технологические изменения в пределах утвержденного технического задания.

Приемочные (междуведомственные) промышленные испытания опытно-промышленных образцов (партий) нового изделия проводят для того, чтобы выявить фактическую техническую характеристику нового изделия, его эксплуатационные качества, экономическую эффективность промышленного применения, а также надежность и ремонтопригодность. Промышленные испытания должны обеспе­ чивать полную и всестороннюю проверку соответствия нового изде­ лия утвержденному техническому заданию, а также давать иеобхо-- димый материал для ориентировочной оценки срока гарантии и срока службы до первого капитального ремонта.

Заводские и промышленные испытания опытно-промышленных образцов проводят по соответствующим программам и методикам. Результаты этих испытаний оформляют актами, как и в случае созда­ ния опытного (экспериментального) образца.

После проведения приемочных (междуведомственных) испытаний наступает третий этап работ по создапшо новых изделий — освоение промышленного производства. На основании протокола рассмотре­ ния результатов и утверждения акта приемочных испытаний опытнопромышленных образцов (партии) производится корректировка тех­ нической документации для промышленного производства нового изделия.

Документом на освоение промышленного производства нового изделия является Свидетельство на право промышленного производ­ ства, которое выдается заводу-изготовителю.

При организации промышленного производства одного изделия на нескольких предприятиях вся документация (технический проект, рабочий проект и т. д.) хранится на головном заводе, который является калькодержателем. Другим заводам, выпускающим то же

36

изделие или части его, передается заверенная копия этой докумен­ тации или соответствующей его части. О всех изменениях в кон­ струкции этого изделия головной завод должен своевременно уведо­ мить предприятия, участвующие в изготовлении. Предложения других заводов-изготовителей по внесению изменения в конструк­ цию изделия подлежат обязательному согласованию с головным заводом-изготовителем.

Объем изготовления первой промышленной серии нового изделия устанавливается заводом-изготовителем на основании рекомендаций, протокола рассмотрения результатов приемочных (междуведомст­ венных) испытаний опытно-промышленных образцов.

Наблюдения за работой изделия в эксплуатационных условиях для проверки его надежности, выявления недостатков и дальней­ шего совершенствования конструкции, а также уточнения количе­ ства необходимых запасных частей и инструментов, ведут заводизготовитель и службы надежности угольной промышленности.

По результатам наблюдений разрабатывают и осуществляют мероприятия по улучшению конструкции, качества изделия и увели­ чения срока его службы.

Объем и содержание работ по обеспечению надежности на различных стадиях создания новых и серийно выпускаемых машин

Опыт работы ряда передовых конструкторских бюро, научноисследовательских институтов и заводов, обобщенный в работе [30], показывает, что при создании машин необходимо на каждой стадии работ проводить определенный объем испытаний, в том числе и ускоренных. Ускоренные испытания можно проводить при разра­ ботке, исследовании и изготовлении опытного образца машин и при исследовании серийно выпускаемых машин. В первом случае уско­ ренные испытания производят для выбора оптимального конструк­ тивного и технологического варианта, вновь создаваемой или модер­ низированной машины, во втором — для контроля качества выпу­ скаемых машин, и в первую очередь по показателям надежности.

На стадии разработки технического задания на проектирование надо утверждать ориентировочные показатели надежности, которые обычно устанавливают на уровне лучших отечественных и зарубеж­ ных образцов машин аналогичного назначения и класса.

На стадии утверждения технического проекта необходимо: уточнить в техническом задании показатели надежности в соот­

ветствии с представленными расчетами, теоретическими или экспе­ риментальными данными, а также по машинам-прототипам опреде­ лить максимально возможный коэффициент унификации узлов и деталей;

установить необходимость разработки чертежей и изготовления стендов для проверки заданных показателей надежности отдельных оригинальных узлов н деталей или машины в целом (в том числе стендов ускоренных испытаний);

37

определить потребную для ускоренных испытаний аппаратуру, желательно саморегистрирующую машинное время, среднюю и мак­ симальную рабочие нагрузки и другие^ показатели; разработать методику заводских и промышленных типовых и ускоренных испы­ таний, в том числе испытаний на заданные показатели надежности.

На стадии разработки рабочих чертежей опытного образца рекомендуется предусмотреть дополнительное изготовление и испы­ тание на надежность узлов и Деталей, наиболее подверженных из­ носу, поломкам и деформациям; разработку чертежей и изготовле­ ние установленных на стадии технического проекта стендов для этих испытаний.

Всвязи с известными трудностями определения и выбора показа­ телей надежности рекомендуется на стадии испытания опытного образца определить фактически полученные показатели надежности

ивнести их в техническую документацию как временные нормативы.

Впроцессе корректировки или разработки рабочих чертежей опытно-промышленных образцов следует уточнить установленные ранее или дополнительно разработать средства и способы, позволя­ ющие фиксировать время непосредственно работы машины, ее сред­ нюю рабочую и максимальную нагрузку на протяжении длительного отрезка времени, например не менее суток, или другие показатели.

Для получения данных о качестве работы отдельных деталей и узлов один из образцов, прошедших промышленные испытания в наи­

более тяжелых условиях, подвергают полной разборке, тщатель­ ному измерению всех элементов и металлографическому исследова­ нию. На основе этих данных составляют ведомости дефектов и вводят необходимые коррективы в конструкцию и технологию изго­ товления.

В акте промышленных испытаний опытно-промышленных образ­ цов должен быть специальный раздел, посвященный анализу резуль­ татов выявления фактической надежности отдельных деталей и узлов машины, а также их надежности в эксплуатации в сочетании с комплектующим оборудованием. В этом разделе излагают обрабо­ танные материалы записей регистрирующей аппаратуры, системати­ зированные данные о всех отказах, об износе узлов и деталей, резуль­ таты измерений износа, характеристики твердости и микротвер­ дости деталей одного из образцов, прошедшего промышленные испы­ тания в наиболее тяжелых условиях; данные, характеризующие надежность машины в эксплуатации вместе с комплектующим обору­ дованием.

■При разработке технической документации для промышленного производства завод-изготовитель и проектирующая организация в расчетно-пояснительной записке приводят основные мероприятия, выполненные для доведения надежности машины до заданного уровня, а также включают в комплектовочную ведомость каждой поставляемой машины инструкцию по эксплуатации и проведению планово-предупредительных ремонтов, список запасных частей и ихстойкость, список инструментов и приспособлений с чертежами на

38-

специальный инструмент, руководство но разборке и сборке, карту смазки, ассортимент смазочных материалов и нормы их расхода, указания по ежемесячным и периодическим осмотрам с мерами по устранению выявленных недостатков, а также форму учета данных об эксплуатации и проведенпых ремонтах и замене деталей, узлов

иагрегатов.

При передаче машин в серийное производство завод-изготовитель

ипроектно-конструкторские организации устанавливают гарантиро­ ванный и межремонтные сроки работы изделия; определяют номен­ клатуру и количество запасных частей, подлежащих поставке комплектно с изделием; устанавливают показатели и методы оценки качества машины или оборудования.

Заводы-йзготовители периодически, но не реже одного раза в год, обобщают опыт эксплуатации машины или оборудования серийного производства; систематически собирают необходимые заводу сведе­ ния о работе и отказах, износе деталей и узлов, поломках и неполад­ ках, проверяют соответствие фактических показателей надежности гарантийным данным и разрабатывают конструктивные и техноло­ гические мероприятия по увеличению надежности изделия в целом.

Использование при проектировании новых изделий государст­ венных стандартов, нормалей и типажей позволяет обеспечить мак­ симальную степень унификации и преемственности узлов и деталей; применение новых прогрессивных материалов, современных методов обработки и упрочения деталей; широкое применение экономичных заготовок. . ч

В процессе расчетно-конструкторских разработок задолго до изготовления изделия инженер оценивает надежность будущего изделия с учетом числа и типов деталей, внешйих и внутренних условий их работы.

Повышению эффективности труда проектировщика может в зна­ чительной мере способствовать внедрение формуляра надежности создаваемого изделия [56].

Правильная работа с формуляром обеспечивает: систематизацию и обобщение информации о надежности элемен­

тов и узлов изделия и способствует раскрытию природы их отказов; отыскание элементов с неподтвержденной характеристикой

надежности; контроль процесса устранения ненадежных элементов в период

доводочных и ресурсных испытаний; постоянную информацию о работе изделия в процессе его экс­

плуатации; сокращение времени и средств на проведение специальных испы­

таний на надежность, так как формуляр дает возможность сосредо­ точить внимание испытателей на работе ненадежных элементов.

Таким образом, формуляр надежности является основным по­ стоянно действующим документом, позволяющим оценивать фак­ тический уровень надежности разрабатываемого изделия на всех этапах его создания.

39