книги из ГПНТБ / Барташев Л.В. Технико-экономические расчеты при проектировании и производстве машин

В теории надежности, широко использующей методы матема­ тической статистики и теории вероятностей, линейного и нели­ нейного . программирования [23, 71 и др . ], принято различать:

а) надежность, определяющую вероятность безотказной ра­ боты машины Р (t) как функцию срока ее службы /;

б) вероятность отказа (разрушения) Q (/), которая непосред­ ственно связана с надежностью простой зависимостью Q (Л =

=1 — ^ ( 0 ; в) частоту отказов, характеризующую плотность распределе­

ния сроков службы машины q (() и связанную с вероятностью

t

отказа через выражение Q (/) = J q (i) di;

о

г) интенсивность отказов (разрушений) Я. (/), определяемую частным отделения отказавших (за определенный период времени) элементов к общему числу этих элементов, находившихся в работо­ способном состоянии к началу этого периода, т. е.

На практике в большинстве случаев функция X (t) представ­ ляет собой вогнутую кривую с вытянутым горизонтальным участ­ ком (обратную той, что дана на рис. 4), которая характеризует три периода работы: 1) период приработки (падающая ветвь кри­ вой), когда поставленные в машину недостаточно надежные эле­ менты относительно быстро обнаруживаются и могут быть изъяты и заменены новыми; 2) период нормальной работы машины (гори­ зонтальный участок кривой) с постоянным значением X (i) и, на­ конец, 3) период старения (восходящая ветвь кривой), характери­ зующийся постепенным ухудшением качества машины в резуль­ тате естественного износа.

Такая схема изменения функции к (t) позволяет считать, что для многих элементов машины она постоянна на протяжении всего периода их работы (периодом приработки можно пренебречь, учи­ тывая .контрольные испытания, предшествующие запуску машины

40

в эксплуатацию). Отсюда формула надежности, подчиняясь экс­ поненциальному закону, и все остальные связанные с надежностью показатели могут быть выражены в более простом виде

Р (I) = e - % t ; Q (t) = 1 — е и и q (t) = Ke~xt.

В этих условиях средний срок службы элемента равен

т. е. опасность отказа обратна среднему времени работы элемента. Поэтому функция надежности

t_

P(t) = e т°.

Очень часто время безотказной работы t, на которое рассчиты­ вается элемент, бывает значительно меньше возможного срока работы машины и тогда определение надежности можно вести по очень простой приближенной формуле

Вместе с тем надежность любой системы в большой степени зависит от надежности каждого входящего в нее элемента Ps (t) и от общего числа m этих элементов:

Так, если Р э (t) = 0,99, т. е. вероятность отказа одного из . элементов (например, какого-нибудь сопряжения, детали или пре­ дохранительного устройства) составляет всего 1%, то при 10 эле­ ментах Рст (t) будет равна 0,91, при 40—0,66, а при 80—0,48.

Современные машины состоят из значительно большего числа элементов, поэтому и надежность каждого из них должна быть

41

2) систематически информирует ведущих конструкторов и тех­ нологов о качестве и надежности изготовляемых узлов и деталей в целях последующего учета собранных замечаний и соответствую­ щей доработки конструкции;

3) участвует в разработке технических проектов, осуществляя контроль обеспечения необходимой надежности машин, соответ­ ствия их техническим условиям и оформляя спецификации на но­ вые материалы и комплектующие изделия;

4)участвует в проведении авторского надзора при изготовле­ нии и испытании образцов (опытных конструкций) и в организа­ ции экспериментальных работ по исследованию новых узлов и схем;

5)пропагандирует необходимость повышения качества, ока­ зывает конструкторам методическую помощь в проведении рас­ четов надежности и долговечности.

Интересно построена работа лаборатории надежности Воро­ нежского машиностроительного завода им. Ленина, действующей в соответствии с методическими инструкциями Всесоюзного научноисследовательского и экспериментально-конструкторского инсти­ тута продовольственного машиностроения (ВНИИЭКИпродмаш).

На основании информации о работе вальцовых станков, вы­ пускаемых заводом, получаемой в ответ на опросные листы от потребителей, а также путем непосредственного надзора за работой станков со стороны ведущих специалистов, регистрации и анализа имевших место отказов в работе станков, ведутся расчеты показа­ телей надежности и последующая разработка мероприятий по обес­ печению их оптимальных значений.

Как показывает практика, нарушения нормальной работы станков (простои) вызываются причинами, которые можно раз­ бить на четыре группы: 1) технологические; 2) вызванные отказом деталей или сборочных единиц; 3) связанные с проведением пла­ ново-предупредительного ремонта и 4) организационные.

Для выяснения причин отказов широко применяется микро­ метраж деталей, позволяющий установить величину и характер их износа.

При обработке полученной информации для последующего определения показателей надежности устанавливают продолжи­ тельность простоев, имевших место по разным причинам: первая группа (Ях ) характеризует технический уровень машины; вторая группа (Я2 ) характеризует надежность машины; третья группа (Я3 ) предусматривается планом ремонтов; четвертая группа (Я4 ) харак­ теризует организационный уровень производства.

Примем следующие обозначения:.

£к <— календарное время работы машины; 5 н р — нерабочее время

43

показатели, характеризующие качественные параметры произво­

Кроме этих основных показателей, определяются следующие три дополнительные, представляющие определенный интерес для общей характеристики машины в эксплуатации.

5. Коэффициент использования планового фонда времени

Л и — - " м а ш - ^ л л !

6. Коэффициент использования производительности

По полученным значениям этих показателей судят о техниче­ ском уровне выпускаемых машин и их надежности и проводят сравнительную оценку с лучшими зарубежными и отечествен­ ными образцами. Так, например, для вальцовых станков, выпу­ щенных Воронежским машиностроительным заводом им. Ленина и эксплуатируемых на одном из крупнейших ленинградских мель­ комбинатов с 1963 г., значения этих показателей оказались сле­

Долговечность машин. Долговечность, рассчитываемая для обеспечения высококачественной работы машины до наступления срока ее конструктивного старения, требует комплексной оценки различных мероприятий, направленных на то, чтобы достичь этого с наименьшими затратами. Для того чтобы установить ра­ циональный срок долговечности, необходимо не только определить минимально необходимые запасы прочности машины, достаточные на весь период ее службы, но и критически выбрать и оценить мероприятия для увеличения износостойкости деталей с учетом затрат и экономии как на заводе-изготовителе, так и на предприя­ тиях, эксплуатирующих машину. При этом экономически целе­ сообразными могут оказаться самые различные решения.

В одним случаях будет важно, чтобы износостойкость детали соответствовала общему сроку службы машины (это касается в пер­ вую очередь базисных деталей), в других — чтобы она была рав­ ной или кратной межремонтному периоду работы машины, т. е. минимальному сроку службы наиболее изнашивающихся деталей; самое главное, чтобы любое решение обеспечивало наиболее эф­ фективные экономические результаты. Но вопрос должен быть решен комплексно: для машины в целом и всех ее деталей следует найти общий критерий, который будет характеризовать экономи­ чески целесообразный срок службы каждой из них. Он должен быть тем больше, чем дороже материал, из которого, сделана де­ таль, чем более ответственной она является в машине, чем больше сложность и стоимость ее изготовления.

Величина срока службы деталей зависит и от числа их в ма­ шине, трудоемкости ремонта и разборочно-сборочных работ при их замене или восстановлении. Экономической основой предвари­ тельных расчетов долговечности должно быть установление тех­ нически обоснованных сроков службы деталей с учетом наиболь­ шей эксплуатационной надежности машины и определение допу­ стимого максимума затрат на ремонты, не превышающего стои­ мости самой машины за весь период ее эксплуатации.

Расчет на долговечность представляет собой один из важней­ ших элементов прочностных расчетов конструкций. Современные методы таких расчетов в значительной мере помогают ликвидиро­ вать то несоответствие, которое раньше наблюдалось между сро­ ками физического и конструктивного (морального) износа из-за чрезмерных запасов прочности. Эта завышенная прочность иногда оказывается главной причиной неоправданно долгой эксплуата­ ции конструктивно устаревших машин, что приводит к неэффек­ тивному использованию производственных площадей, сдерживает рост производительности труда и увеличивает эксплуатационные издержки.

С другой стороны, замена в расчетах фактических режимов постоянными, эквивалентными по усталостной прочности, не отра­ жает тех явлений, которые происходят в действительности, и при­ водит к разрушению деталей значительно раньше расчетных сро-

45

ков. Из-за дефектов в расчетной методике на Долговечность полу­ чается очень большой разрыв между расчетным и фактическим сроком службы тракторных подшипников. Так, по данным НАТИ, расчетная долговечность подшипника 307, установленных на про­ межуточном валу КПП, составляет 86 500 ч, фактическая — от 1000 до 2500; по данным ВНИИП, подшипники 402 310 трактора С-100, поддерживающие верхний вал КПП, имеют расчетную дол­ говечность 83 000, а фактически работают не больше 3000 ч и т. д.

Возникает вопрос об установлении о п т и м а л ь н о й (или, как ее называет В. И. Казарцев, технико-экономической долго­ вечности машин, характеризующей и пределы технически допу­ стимого износа базовых поверхностей корпусных деталей, и ра­ циональные границы для затрат на ремонт [39]. Она может быть определена по формуле

где Тф •— физическая долговечность или срок службы машины между двумя капитальными ремонтами; С м а ш •—балансовая стои­ мость машины; К — осредненная стоимость каждой новой группы запасных частей при очередном ремонте.

Например, для трактора ДТ-54 стоимостью 2500 р. при его межремонтном периоде Тф = 2 года и средней стоимости запасных частей, расходуемых на ре­ монт К — 202,3 р., оптимальная долговечность равна

Число капитальных ремонтов, которое экономически целе­ сообразно и возможно провести за этот срок,

Создавая машину с высокими качественными показателями, конструктор в первую очередь должен установить оптимальный срок ее службы, учитывая, с одной стороны, темпы технического прогресса в данной отрасли народного хозяйства и длительность периодов конструктивного старения таких машин, а с другой — размеры целесообразных затрат на ремонт и модернизацию для поддержания их в работо- и конкурентоспособном состоянии.

Решение этой первоочередной задачи в значительной мере пред­ определяет и выбор материала для входящих в машину деталей, и способы их упрочнения, и характер технических требований к заводам-поставщикам комплектующих-изделий, и многое другое. На этой первоначальной стадии может и должна быть установлена структура ремонтного цикла, а в зависимости от нее должны ре­ шаться и все частные задачи, связанные с проектированием.

Определение величины физической долговечности машины т ф связано с установлением сроков службы (износостойкостью) их

46

базовых деталей. Их износостойкость, в свою очередь, в значи­ тельной мере определяется качеством поверхностного слоя, его микроструктурой, степенью чистоты поверхности и прочностью, что зависит от физико-механических характеристик выбранного материала и эффективности способов его механической и термиче­ ской обработки. На износостойкость влияют также деформации,

класс точности обработки. Чем больше первоначальный зазор, тем больше ударов и деформаций испытывают трущиеся детали,

Увеличение износа вызывает снижение точности, к. п. д. и про­ изводительности машины, а в станках к тому же и снижение жест­ кости и виброустойчивости.

Значительный интерес представляет методика определения оптимального срока службы, предложенная проф. А. И. Селива­ новым [77], в которой использование степенной зависимости про­ грессирующих во времени эксплуатационных затрат обеспечивает получение более точных результатов расчета. Сущность этой ме­ тодики сводится к следующему.

Все издержки, которые несет потребитель на протяжении всего

47

2) текущие затраты В, величина которых остается неизменной на протяжении всего времени эксплуатации машины Т,

Y2 = ВТ.

К этим затратам относятся такие, как заработная плата об­ служивающих машину рабочих, расходы по оплате энергии, топ­ лива и пр.;

3) прогрессирующие затраты С, связанные с нарастающим из­ носом машины, ростом расходов на ремонт, содержание, уход и др.,

Ys = СТ'К

Взяв первую производную функции dZ (dT) и приравняв ее нулю, решим полученное уравнение относительно Т:

Т° = V ( л — 1 ) С *

На рис. 6 наглядно показано изменение отдельных элементов удельных затрат и их общей величины в зависимости от срока службы машины х .

1 Ряд экономистов, в том числе Р. Н. Колегаев [45], считают, что минималь­ ная себестоимость единицы продукции еще не является достаточным условием для определения оптимального срока службы машины, противопоставляя этому уровень наибольшей рентабельности. Экономические аспекты проблемы сроков службы машин, их ремонта, оптимальных межремонтных периодов и пр. обстоя­ тельно рассмотрены в ряде трудов советских и зарубежных ученых. См., напри­ мер [64, 87 и др . ], а также методику, предложенную американским институтом машиностроения и смежных отраслей промышленности (The Machinery and Ap.lied Products Institute) [72].

48

Так как долговечность зависит от соотношения технических норм производительности проектируемой и существующей ма­ шины, условий ее эксплуатации и, в частности, возможности про­ дления срока ее службы путем модернизации и пр., а также от среднегодового прироста производительности труда данной от­ расли народного хозяйства, то пртэф. В. Н. Трейер [87] предло­ жил определять оптимальный срок использования машин в произ­ водстве исходя из этого основного положения. Чем интенсивнее растет производительность труда в определенной отрасли, тем меньше период конструктивного старения машины и для повыше­ ния ее долговечности нужно обеспечить максимум в соотношении проектной и существующей производительности; при любых усло­ виях модернизация конструкции будет способствовать удлинению оптимального срока эксплуатации.

Нельзя не признать, что обе эти точки зрения, оба методиче­ ских подхода к определению оптимального срока службы машин имеют под собой достаточные основания, и по существу говоря, в какой-то мере дополняют друг друга. k

Долговечность машин в большой степени зависит от рациональ­ ности постановки ремонта, организация которого на многих заво­ дах все еще отстает от требований современного производства. Велики также и затраты на ремонт.

По данным института экономики АН СССР, ежегодные затраты на ремонт составляют около 15 млрд. руб. Почти 40% всего вы­ плавляемого металла идет на нужды ремонта. Ремонтными ра­ ботами занято более 50% всего парка работающих в народном хозяйстве станков. Из металла, который расходуется на ремонт станков, можно было бы изготовить 150 ООО новых токарных стан­ ков, а из того металла, что расходуется на ремонт автомашин, можно было бы выпустить почти 400 000 новых автомобилей \

Потери времени из-за ремонта очень велики. Например, 25% строительных машин систематически простаивают в ремонте. Если считать (как предлагает М. И. Астахов), что каждый экскаватор пробудет во внеплановом ремонте всего 2% времени в течение года,

Из-за низкого качества ремонта моторесурс и надежность машин сокращаются в 1,5—2 раза.

Сроки службы металлорежущих станков, как утверждает Д. .С- Львов, после капитального ремонта сокращаются на 35— 40%, автомашин — на 50—70%, тракторов — на 50—60%. Если моторесурс тракторного двигателя составляет 3500—4000 ч, то после капитального ремонта он уменьшается до 1500—2000 ч.

1 Из доклада акад. Т. С. Хачатурова на Всесоюзной конференции по эконо­ мическим проблемам качества продукции (Москва, декабрь 1966 г.).