Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Транспортная безопасность. Учебное пособие
.pdf
Важным понятием для оценки безопасности транспортных процессов является показатель «уровень безопасности»: совокупность
требования к системе, определяемая предельными значениями показателей безопасности и удовлетворяющая определенным требованиям
безопасности.
Таким образом, следует считать, что безопасная система- это
система, построенная в соответствии с определенной концепцией
безопасности и удовлетворяющая заданному уровню безопасности .
Безопасность объекта или системы в целом можно разделить на
внешнюю и внутреннюю.
Внешняя безопасность – это отсутствие нарушения сохранности
объекта из-за внешних причин. Сам объект в этом случае не является
причиной нарушения безопасности (пассивен в отношении к безопасности). Внешней безопасностью транспортного процесса в целом
или его элементов можно считать все то, что может влиять на работу
транспорта и на что сам транспорт повлиять не может. Применительно
к транспортному процессу проявлением внешней безопасности можно
назвать условии эксплуатации, в том числе природные условия или
поведение людей – не участников транспортных процессов. При
рассмотрении отдельных систем или устройств понятие внешней
безопасности будет проявляться как ситуация, когда нарушение
безопасности происходит не по причине самого рассматриваемого
устройства или системы.
Внутренняя безопасность – это способность объекта не выступать источником опасности по отношению к человеку и внешней
среде из-за нарушения своей работоспособности (объект активен в
отношении безопасности). Уровень внутренней безопасности является важнейшим показателем при оценке применения устройства ,
системы , технологии производства работ или эксплуатационного
персонала. Именно управление внутренней безопасностью во многом
обеспечивает общий показатель безопасности транспортного процесса. Конструктивные решения и материалы, используемые при
изготовлении устройств, совершенство применяемых программных
продуктов и эксплуатационно-технологические мероприятия влияют
на уровень внутренней безопасности отдельных устройств и транспортной системы в целом.
91
2.6 Структура и содержание понятия «надежность»
Надежность– это свойство объекта сохранять во времени в
установленных пределах значения всех параметров, характеризующих
способность выполнять требуемые функции в заданных режимах
и условиях применения, технического обслуживания, хранения и
транспортирования. Под объектом здесь и далее понимается (если
не оговорено специально) предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый в периоды проектирования, производства,
эксплуатации, исследований и испытаний на надежность. Объектами
могут быть изделия, системы и их элементы, в частности, сооружения, установки, устройства, машины, аппараты, приборы и их части,
агрегаты и отдельные детали.
Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может
включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость или определенные сочетания этих свойств. В технической
диагностике из перечисленных составляющих надежности на первый
план выдвигаются, как правило, два свойства – безотказность и ремонтопригодность объекта.
Большинство задач, решаемых технической эксплуатацией, связано в большей или меньшей степени с качеством изделий (в данном
случае автомобилей, агрегатов, деталей, технологического оборудования) и эксплуатационных материалов при их функционировании или
использовании в определенных условиях эксплуатации.
Надежность является специфическим свойством качества, поскольку проявляется только в течение длительного времени. Обобщенно можно считать, что надежность – это качество изделия, развернутое во времени. По общепринятому определению надежность
– это свойство изделия (объекта) выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных показателей в пределах,
соответствующих заданным режимам и условиям использования,
технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.
Надежность – сложное понятие, оно выражается четырьмя параметрами:
1. Безотказность – свойство объекта (изделия) непрерывно со-
хранять работоспособное состояние в течение некоторого времени
92
или наработки. Показателями безотказности являются: средняя наработка на отказ, интенсивность потока отказов как величина обратная
средней наработки на отказ, вероятность безотказной работы при
заданной наработке.
2. Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для
технического обслуживания и текущего ремонта. Показателями являются: средний ресурс (в единицах наработки), средний срок службы
(обычно в календарных годах), гамма процентный ресурс (это ресурс,
который достигается, например, 95-процентами объектов).
3. Ремонтопригодность (эксплуатационная технологичность)
– свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей.
4. Сохраняемость – свойство объекта сохранять установленные
показателя качества в процессе хранения, транспортирования и непосредственно после. Показателями сохраняемости являются средний
и гамма процентный срок хранения.
Основными терминами и понятиями надежности также являются:
А) Отказ – изменение одного или нескольких показателей заданных параметров объекта, приводящее его в неработоспособное
состояние. Изменения могут быть внезапными (случайными) и систематическими с нарушением геометрии деталей или свойств материалов. Изменения постепенные по развитию, могут быть внезапные
по проявлению.
Б) Неисправность – состояние, когда объект не отвечает хотя бы
одному из требований нормативно-технической документации (например, отказ стеклоподъемника является неисправностью автомобиля).
В) Сбой – самоустраняющийся отказ (например, при образовании
паровых пробок в топливопроводе).
По происхождению или причинам появления отказы и неисправности делят на три вида:
– конструкционные (по вине конструктора);
– производственные (следствие плохо организованного произ-
водственного процесса);
– эксплуатационные (следствие неправильной эксплуатации или
неблагоприятного сочетания режимов эксплуатации).
93
Следует иметь в виду, что производство высоконадежных транспортных средств требует больших затрат изготовителя и малых затрат
при эксплуатации, то есть, в принципе, существует оптимальная надежность транспортного средства, обеспечивающая минимум суммарных затрат. Практически определение оптимальной надежности
затруднено, поскольку само понятие надежности многозначное и не
может быть выражено единым показателем.
Основной задачей технической эксплуатации транспортного
средства является поддержание работоспособности в эксплуатации,
для чего необходимо иметь четкие представления о процессах, приводящих к изменению эксплуатационных характеристик. Обобщенно
все изменения технического состояния могут быть сведены к двум
причинам:
1) изменения свойств конструкционных материалов;
2) изменение геометрии деталей, включая размеры, форму,
3) взаимное расположение поверхностей и их шероховатость.
Рассмотрим подробнее эти причины.
В конструкции транспортного средства используются весьма
разнообразные материалы: различные металлы, пластмассы, резина,
ткани, стекло и т. д. По мере эксплуатации свойства конструкционных
материалов меняются также весьма разнообразно. Поскольку транспортное средство является машиной, наибольший интерес с позиции
надежности представляет изменение механических свойств материалов. Рассмотрим наиболее существенные процессы.
Температурное разупрочнение – характерно для металлов и других материалов. При повышении температуры для разных металлов
более или менее снижаются их прочностные характеристики: предел
текучести и временное сопротивление .
Весьма существенно повышение температуры влияет на ползучесть металлов – медленно протекающую деформацию при длительном воздействии нагрузок.
При низкой температуре может наблюдаться хладноломкость металлов – разрушение деталей при нагрузках совершенно безопасных
при нормальной температуре. Как правило, это хрупкое разрушение
деталей при ударных воздействиях, наблюдаемое уже при температурах –40…50 С.
94
Усталость– разупрочнение металлов при циклических нагрузках,
приводящее к разрушению деталей при напряжениях . Накопление
усталости объясняют смещением дислокаций (микроскопических
несплошностей) на гранях кристаллов при их раскачивании, объединением дислокаций и образованием за счет этого микротрещин.
Постепенно микротрещины перерастают в макротрещины, которые
уменьшают живое сечение детали, фактические напряжения за счет
этого возрастают и достигают значений , что приводит к разрушению
детали.
Источниками циклических нагрузок могут быть условия естественного функционирования детали (например, при работе шестерни
зуб воспринимает нагрузку, потом «отдыхает», вновь воспринимает
нагрузку и т. д.), вибрационные нагрузки и т. п.
Реальный спектр нагрузок часто воспринимается как случайный,
который можно представить набором синусоид разной амплитуды и
частоты. Усталостную прочность обычно исследуют при синусоидальной нагрузке с симметричным циклом (амплитудное значение растяжения и сжатия одинаково). Число циклов , выдерживаемых образцом
до разрушения, связано с амплитудным напряжением зависимостью
Большинство металлов имеют характерную точку перегиба это наименьшая амплитуда напряжений, при которой происходит
смещение дислокаций, т. е. наблюдается накопление усталостных
повреждений. Величину называют пределом усталостной прочности,
или пределом выносливости. Некоторые металлы, например медь, не
имеют точки перегиба, т. е. могут быть разрушены даже при очень
небольших циклических нагрузках.
Существенное влияние на накопление усталости имеет величина среднего напряжения , когда цикл нагрузок не симметричен, т. е.
циклические нагрузки накладываются на некоторое постоянное напряжение в детали. Это могут быть не только нагрузки, возникающие
при функционировании траснпортного средства, но и остаточные
напряжения, образующиеся при изготовлении детали (остывании
литой заготовки, штамповке и т. п.). Наличие остаточных напряжений,
которые могут быть и очень большими, затрудняет не только прогнозирование долговечности деталей, но и места появления усталостных
трещин.
95
Признаком усталостного разрушения является наличие двух зон
на изломе детали: часть сечения детали имеет блестящую поверхность, а часть – шероховатую («сахарную») поверхность. Шероховатая
поверхность – это зона свежего излома, обнаруживающего кристаллическую структуру металла, а блестящая – это зона трещины, которая
развивалась медленно, долго и за счет упругой деформации детали
вершины кристаллов терлись друг о друга и сглаживались.
Межкристаллитная коррозия – это процесс диффундирования
(просачивания) кислорода в кристаллическую решетку металла. Этот
процесс снижает усталостную прочность деталей. По данным опытов,
год хранения металлов привел к снижению предела выносливости.
На эксплуатационные характеристики транспортного средства
могут оказывать влияние любые изменения геометрии деталей: размеров, формы, взаимного расположения поверхностей, шероховатости
поверхностей. Рассмотрим наиболее характерные процессы изменения геометрии деталей.
Пластическая деформация деталей наблюдается при создании в
материале детали напряжений превышающих или (аналогично и по
касательным напряжениям).
Температурное расширение – это процесс увеличения линейных
и объемных размеров конструкционных материалов при повышении
температуры.
Износ – это процесс изменения геометрии деталей вследствие
трения. Трение и износ не являются до конца изученными явлениями,
поэтому для их объяснения используют различные виды классификаций по внешним признакам. Различают трение качения, скольжения,
верчения, сухое, граничное, жидкостное, с контактом по плоскости,
линии, точке. Для описания износов часто используют такую классификацию:
1. Износ первого рода – адгезионный износ.
2. Износ второго рода – тепловой износ, задир.
3. Окислительный износ.
4. Усталостный износ – питтинг.
5. Абразивный износ.
6. Фреттинг-коррозия.
7. Эрозия.
96
Рассмотрим подробнее особенности этих видов износа.
1. Износ первого рода – это молекулярно-механическое взаимодействие трущихся поверхностей, когда контакт происходит по
вершинам микро выступов при очень больших удельных давлениях.
Микро выступы слипаются (свариваются) и при смещении поверхностей «сваренные мостики» разрушаются, вновь образуются и т. д.
Продукты разрушенных мостиков (по аналогии с контактной сваркой
– брызги из под электродов) выносятся из зоны трения, что меняет
геометрию детали. Интенсивность такого износа низкая (нормальная),
поверхность получается гладкой блестящей. Следует отметить, что
профиль поверхности трения не воспроизводится ни при каком виде
механической обработки.
2. Износ второго рода (тепловой износ, задир) – это процесс
сваривания больших участков трущихся поверхностей, сопровождающийся наволакиванием металла, образованием рисок. Такой износ
наблюдается при ненормальных условиях трения: больших давлениях,
скоростях скольжения, повышенной температуре. Интенсивность
износа катастрофически большая, износ может наблюдаться как при
скольжении, так и при качении.
3. Окислительный износ – это процесс образования на поверхности трения окисных пленок, более твердых и хрупких, чем
основной металл. Такая пленка на относительно мягкой подложке
под действием нагрузок в зоне контакта трущихся тел разрушается,
вновь образуется и т. д.
4. Усталостный износ (питтинг) – это процесс образования в
поверхностном слое детали, испытывающем циклические нагрузки,
усталостных трещин, которые, замыкаясь, приводят к отшелушиванию
поверхностного слоя. Питтинг, обычно, наблюдается в подшипниках
качения и на поверхности зубьев шестерен.
5. Абразивный износ – это процесс износа при попадании в зону
трения посторонних частиц с размерами, превосходящими толщину
масляного слоя между трущимися поверхностями. В зависимости от
соотношения твердости металла и твердости абразива абразивный
износ проявляется в виде микро резания или в виде интенсивного
питтинга.
97
Завершая анализ видов износа следует отметить некоторые общие
закономерности
– повышение прочностных свойств поверхностей трения, обыч-
но, снижает интенсивность их износа;
– шероховатость поверхностей трения имеет значение только
на периоде приработки;
– между коэффициентом трения и интенсивностью износа ма-
териалов однозначной связи нет;
– зависимость интенсивности изнашивания от режимов трения
для разных материалов различна.
2.7 Методы оценки надежности технических систем
безопасности
Система технической безопасности – это сложный комплекс
технических средств, служащих для своевременного обнаружения
инцидентов и защиты от несанкционированного доступа в охраняемую зону.
Различают следующие основные методы оценки надежности:
– экспериментальный;
– аналитический (расчетный);
– статистического моделирования.
Аналитические методы дают возможность оценивать надежность
объекта, проводить сравнение различных вариантов его выполнения,
находить оптимальные (или близкие к оптимальным) решения на
самых ранних этапах разработки и проектирования, когда изделие
существует еще только на бумаге. В этом состоит существенное преимущество этой группы методов оценки надежности.
Еще одним преимуществом является то, что решения в принципе
могут быть получены в виде аналитических выражений, позволяющих вести исследование влияния различных факторов и находить
оптимальные решения в общем виде.
Необходимыми исходными данными при аналитическом исследовании надежности объекта являются сведения о надежности его
элементов. От достоверности этих данных зависит качество получаемых результатов. Для объектов со сложной структурой применение
98
аналитических методов во многих случаях приводит к большим вычислительным трудностям.
К аналитическим методам – по постановке задачи – близки методы статистического моделирования. Сходство в том, что и те, и другие
методы требуют наличия данных о надежности элементов системы.
Однако способы получения результатов совершенно различны. Методы статистического моделирования сводятся к разработке и исследованию функционирования статистической модели исследуемого
объекта. Таким путем удается получать оценки надежности объектов
с весьма сложной структурой, не поддающихся аналитическому исследованию, при ограниченных затратах средств и времени. Положительным свойством методов статистического моделирования является
также то, что в процессе исследования могут определяться не только
чисто надежностные характеристики и показатели, но и показатели
эффективности. Основной недостаток этой группы методов состоит в
том, что результаты решения представляются не в виде аналитических
выражений, отображающих влияние различных факторов, а в виде
численных оценок (статистических оценок).
Экспериментальные методы оценки надежности изделий играют
особую роль, так как, с одной стороны, они являются по сути единственным источником получения исходных данных о надежности
объектов, используемых в качестве элементов при построении объектов более сложных, данных, необходимых для аналитического исследования или исследования путем статистического моделирования.
С другой стороны, эксперимент в подавляющем, большинстве случаев
был и остается основным способом определения или подтверждения
уровня надежности серийно выпускаемых объектов.
В отличие от рассмотренных выше двух групп методов экспериментальные методы не требуют никаких сведений о нежности
элементов объекта. Мало того, экспериментальная оценка надежности
объекта в целом позволяет получить которые данные и о надежности
входящих в его состав элементов в реальных условиях эксплуатации.
Особенностью экспериментального пути является то, что предполагает наличие некоторого количества образцов исследуемого объекта.
Причем, это должны быть действующие образцы, удовлетворяющие
всем техническим условиям. Проведение оценки надежности неиз-
99
бежно связано с определенным (иногда весьма значительным) расходом ресурса испытываемых образцов.
Экспериментальная оценка надежности изделий может реализовываться двумя способами: организацией специальных испытаний
или сбором статистических данных о работе объекта в условиях
нормальной или подконтрольной эксплуатации. Порядок проведения
эксперимента в этих двух случаях существенно различен. Обработка
накопленных данных производится по одним и тем же методикам.
2.8 Показатели и критерии безопасности и надежности
Рассмотрим на примерах приведенные в заголовке показатели. Известно, что железнодорожный транспорт является самым безопасным
транспортом. В отличие от других видов транспорта, железные дороги
имеют рельсовую колею, поэтому управление движением упрощается.
Высокая прочность подвижного состава и рельсового пути независимо
от погодных условий обеспечивают стабильное движение, а надежное взаимодействие колеса и рельса позволяют развивать скорости
движения 250 км/ч и более. Низкая аварийность на железнодорожном
транспорте объясняется еще и тем, что движение осуществляется в
виде поездов. Это позволяет обеспечить распределение пассажиров
вдоль поезда. В результате даже при лобовых столкновениях поездов
гибнут не все пассажиры, а только те, которые находятся в одномдвух головных вагонах. В поездах с электротягой отсутствует запас
топлива, а устройства подвода электрической энергии к электровозу
размещены на крыше и изолированы от пассажирских вагонов, что
также повышает безопасность пассажиров.
Наиболее опасным видом транспорта как в России, так и за рубежом является автомобильный транспорт. Объясняется это тем, что
этот вид транспорта насыщен большим числом легковых автомобилей,
имеет высокую интенсивность движения, которое является неуправляемым, хаотичным.
Автомобильный подвижной состав недостаточно прочный и
не всегда оснащен современными системами безопасности. «Человеческий фактор» на автомобильном транспорте самый высокий и
составляет почти 100 %. Кроме того, взаимодействие колеса с автомобильной дорогой является неудовлетворительным, особенно в зимних
условиях, при туманах, дождливой погоде, при плохом состоянии
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]