Надежность механических систем. Учебно-методическое пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Т. В. ВИНОГРАДОВА, Ю. В. КУЛИДА, Н. В. ПОДОПРИГОРА

НАДЕЖНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург

2016

Введение

Современное машиностроение, в том числе транспортное и строительное, развивается по пути снижения потребления энергии, топлива, материалов и сырья, а также уменьшения трудозатрат при изготовлении машиностроительной продукции. При этом машины должны обеспечивать максимально возможную производительность при высоком качестве работ. Достижение столь высоких требований, обеспечение высокой работоспособности машин с учетом изменяющихся нагрузок, режимов и условий эксплуатации неразрывно связано с эксплуатационной надежностью машин, с устранением причин непредвиденных отказов ее элементов. Наибольшее число отказов обусловлено износом рабочих органов и узлов трения, а также другими видами разрушений, связанных со взаимодействием сопрягаемых деталей в узлах и механизмах машины. В этой связи решение проблемы надежности машин затрагивает в основном материаловедческие и технологические аспекты.

Теория надежности отражает общие закономерности, свойственные элементам механических систем, которые необходимо учитывать при проектировании, изготовлении, испытаниях, приемке и эксплуатации, чтобы достигнуть максимальной эффективности их использования. Повышение надежности работы механических систем является одной из важных задач обеспечения высокого качества технологического процесса эксплуатации.

Методы теории надежности позволяют:

1)выяснить характер действия окружающей среды ирежимов работы на качество функционирования элементов и устройств;

2)разрабатывать способы анализа надежности, необходимые для конструирования, проектирования и изготовления механизмов и машин, прогнозирования неисправностей, их устранения, определения количества запасных деталей, приборов, механизмов и т. д.;

3

Введение

3)организовывать сбор, учет и анализ статистических сведений

оработе элементов механизмов и их эксплуатации;

4)определять наилучшие показатели надежности;

5)определять способы лабораторных испытаний на надежность и долговечность;

6)устанавливать наилучшие режимы профилактических работ и способы контроля качества работы механизмов и машин.

Повышение надежности машин является значительным резервом роста эффективности производства путевых, дорожно-строительных и погрузочно-разгрузочных работ. Ее показатели связаны со всеми этапами создания машин: надежность закладывается на этапе конструирования, а затем обеспечивается соответствующими мероприятиями на этапах изготовления и эксплуатации.

4

Глава 1. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА И ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ МАШИН

При выборе машин для определенного вида работ (земляных, дорожных, путевых и др.), разработке или модернизации серийной конструкции, определении конкурентоспособности машиностроительной продукции необходимо иметь представления о ее качестве, о ее техническом и эксплуатационном уровне. Качество машины характеризуется широким спектром свойств, которые обусловливают ее пригодность удовлетворять требованиям потребителя в соответствии с показателями. В этой совокупности свойств имеются как единичные характеристики, позволяющие судить только об одном параметре машины, так и комплексные, которые охватывают несколько параметров машины.

Вобщем случае для оценки уровня продукции машиностроения,

втом числе погрузочно-разгрузочных, путевых, дорожно-строитель- ных машин и оборудования, используют Единую систему конструкторской документации (ЕСКД), составляя карту ее технического уровня и качества. Показатели, определяющие качество и эффективность машин, можно условно разделить:

1) на технико-экономические показатели, характеризующие эффективность машин по основным техническим параметрам (мощность, производительность, энерго- и материалоемкость, выработка и др.);

2) конструктивные, которые характеризуют качество и свойства конструкции машины (надежность, унификация и стандартизация элементов конструкции и др.);

3) эксплуатационные, характеризующие работу машины в производственных условиях (типоразмерность, мобильность, проходимость, универсальность и др.);

4) технологические, которые характеризуют трудоемкость изготовления деталей и узлов, а также сборки и разборки машины.

5

Глава 1. Показатели качества и технического уровня машин

Из всех показателей, характеризующих качество и технико-эко- номическую эффективность машин, наиболее значимыми являются показатели надежности. В работе [1] профессор В. И. Баловнев с коллегами оценил значимость более 30 показателей машин по коэффициенту их весомости на основе экспериментальных данных. Наибольший коэффициент весомости имеет надежность, что свидетельствует о ее роли в обеспечении работоспособности машин различного назначения.

6

Глава 2. РАБОТОСПОСОБНОСТЬ МАШИН

2.1. Показатели надежности машин

Работоспособностью(по ГОСТ 27.002–89) принято называть состояние изделий, при котором значения всех параметров, характеризующих их способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Надежность – это важнейшее комплексное свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени установленные эксплуатационные показатели (т. е. свою работоспособность) в требуемых пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Надежность, как комплексное свойство, включает в себя более простые, частные свойства: безотказность, долго-

вечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Довольно часто в узком смысле надежность понимается только как одна из главных ее составляющих – безотказность.

Безотказность – это свойство изделия сохранять работоспособность в течение определенного времени или наработки при выполнении установленного объема работы в заданных условиях эксплуатации. Безотказность принято характеризовать следующими показателями:

–для изделий, неремонтируемых или заменяемых после первого же нарушения работоспособности, – вероятностью безотказной работы P(f) или интенсивностью отказов λ(t);

–для ремонтируемых изделий – наработкой до первого отказа (в естественных физических показателях – часах работы, километрах пробега и т. п.) или вероятностью безотказной работы P(f).

Долговечность – это свойство машины непрерывно сохранять работоспособноесостояниедонаступленияпредельногосостоянияпри установленной системе технического обслуживания и ремонта.

7

Глава 2. Работоспособность машин

Предельное состояние – состояние машины, при котором ее дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо восстановление ее работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

В отличие от безотказности долговечность характеризуется продолжительностью работы машины по суммарной наработке, прерываемой периодами для восстановления ее работоспособности в плановых и неплановых ремонтах и при техническом обслуживании. Отметим, что для невосстанавливаемых изделий понятия долговечности и безотказности практически совпадают.

Ремонтопригодность– это приспособленность машины к предупреждениюиобнаружениюпричинвозникновенияотказовиповреждений,атакжекподдержаниюивосстановлениюработоспособности путем проведения технического обслуживания и ремонта. Отметим, что с усложнением технических систем все труднее найти причины отказов (в сложных системах время поиска занимает более 50 % общего времени восстановления работоспособности). Важность этого показателя определяется огромными затратами на ремонт машин.

Сохраняемость – это свойство машины сохранять показатели безотказности,долговечностииремонтопригодностипослехранения и транспортирования. Отметим существенные значения этого показателя для деталей, узлов и механизмов, находящихся на хранении в комплекте запчастей.

Все объекты (машины) подразделяют: −  на невосстанавливаемые; −  восстанавливаемые.

Надежность машины характеризуется следующими состояниями: исправное, неисправное, работоспособное и неработоспособное.

Исправное состояние – состояние машины, при котором она соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Неисправное состояние – состояние машины, при котором она не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-техни- ческой и (или) конструкторской документации.

Работоспособное состояние – состояние машины, при котором она способна выполнять заданные функции, соответствующие требованиям нормативно-технической и конструкторской документации

8

2.2. Комплексные показатели надежности машин

(нормативно-техническая документация – стандарты, технические условия и пр.).

Такимобразом,неработоспособноесостояниеявляетсянепременно неисправным. Но неисправное состояние не обязательно неработоспособное (например, повреждение капота или крыла автомобиля). Различают неисправности, не приводящие к отказам, и неисправности, ведущие к отказам.

Показатели надежности могут быть единичными (т. е. характеризующими одно из свойств, составляющих надежность объекта)

икомплексными, относящимися к нескольким свойствам объекта.

Кединичным показателям относятся показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

2.2.Комплексные показатели надежности машин

Ккомплексным показателям надежности машин относятся коэффициенты готовности, технического использования, а также удельные суммарные трудоемкости ремонта или ТО. Как правило, они относятся к сложным системам и автоматическим комплексам.

Коэффициент технического использования (Kт.и) – это отноше-

ние математического ожидания времени работоспособного состояния на некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий времени работоспособного состояния и всех простоев для ремонтов и технического обслуживания:

i=1

где Т – суммарное время пребывания в работоспособном состоянии; Тр – время ремонта; Тт.о – время техобслуживания.

Коэффициент готовности ( Kг) – вероятность того, что объ-

ект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме периодов, в которых эксплуатация не предусматривается. Коэффициент определяют как отношение математических ожиданий времени нахождения в работоспособном состоянии к математическим ожиданиям суммы этого времени и времени внеплановых ремонтов:

9

Глава 2. Работоспособность машин

К основным понятиям в теории надежности относится отказ. Отказ – это событие, которое заключается в нарушении работо-

способности машины.

Наработка – это продолжительность (или объем) работы машины. Наработка машины от начала эксплуатации до предельного состояния называется ресурсом.

Вотличие от ресурса срок службы – это календарная продолжительность эксплуатации машины от начала эксплуатации до наступления предельного состояния.

Под предельным состоянием понимают состояние машины, при котором дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена (вследствие изменения заданных параметров ниже установленных пределов, нарушения требований безопасности и др.).

Как уже отмечалось, показатель надежности – это количественная характеристика одного или нескольких свойств, определяющих надежность машины.

Вкачестве основных показателей надежности дорожных машин

иих узлов используют следующие характеристики:

−  гамма-процентный ресурс Tγ;

−  среднийресурсдокапитальногоремонтаTк (илидосписанияTс); −  коэффициент технического использования Kт.и и готовности Kг. В свою очередь эти показатели связаны с другими характе-

ристиками:

1) с вероятностью безотказной работы Р(t) – вероятностью того, что в пределах заданной наработки (t) отказ не возникнет;

2) наработкой на отказ tн;

3) наработкой до отказа элементов tд.

Наработка до отказа – математическое ожидание наработки до отказа невосстанавливаемого изделия.

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

10