Лекция_Теория надежности

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.

Повреждения и отказы машины, классификация отказов

Состояния технического объекта (машины) классифицируют по соответствию его требованиям технической документации и по способности выполнять заданные функции. В первом случае различают исправное состояние и неисправное состояние, а во втором - работоспособное состояние и неработоспособное состояние.

Состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документа-

ции называется исправным состоянием.

Неисправное состояние, это состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований. Работоспособный объект, в отличие от исправного должен удовлетворять лишь тем требованиям норма- тивно-технической документации, выполнение которых обеспечивает применение объекта по назначению, то есть значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям.

Таким образом, работоспособный объект может быть неисправным, например, если он не удовлетворяет эстетическим требованиям, причем ухудшение внешнего вида объекта не препятствует его применению по назначению.

Неработоспособное состояние определяется несоответствием хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Частным случаем неработоспособного состояния является предельное состояние, при котором дальнейшая эксплуатация объекта недопустима или нецелесообразна, либо восстановление работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно. Переход объекта в предельное состояние влечет за собой временное или окончательное прекращение эксплуатации объекта, то есть объект должен быть выведен из эксплуатации, направлен в ремонт или списан. Критерии предельного состояния устанавливают в нормативно-технической документации.

Повреждение - это событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.

Отказ - это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Критерии повреждений и отказов устанавливают в нормативно-

1

технической и (или) конструкторской документации.

Различают ресурсный отказ и сбой. К ресурсному относят отказ, в результате которого объект достигает предельного состояния. К сбою относят самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора машины.

Основные виды отказов можно классифицировать следующим образом.

По связи с отказами других элементов различают зависимый и независимый отказы. Зависимым называют отказ, обусловленный отказом других элементов объекта (задир вкладыша коленчатого вала двигателя изза отказа масляного насоса). Независимый отказ не обусловлен отказами других элементов (например, поломка рессоры при перебазировке машины).

По характеру изменения значений параметров объекта различают внезапные и постепенные отказы. Это разделяет отказы на две категории в зависимости от возможности прогнозировать момент наступления отказа. Внезапный отказ характеризуется скачкообразным изменением значений параметров объекта, то есть это отказ, наступление которого не может быть предсказано предварительным контролем или диагностированием.

Примером внезапного отказа является нарушение работоспособности щековой камнедробилки, вызванное срезом болтов распорной плиты в результате попадания металлического предмета между дробящими плитами.

Наступлению постепенного отказа предшествует непрерывное и монотонное изменение одного или нескольких параметров, что позволяеть предупредить наступление отказа или принять меры по устранению его нежелательных последствий. Характерным примером постепенного отказа является нарушение работоспособности тормозов в результате износа фрикционных элементов.

По источникам возникновения различают отказы:

-конструктивные, возникшие по причине недостатка (несовершенства) конструкции;

-производственные, являющиеся следствием нарушения или несовершенства процесса изготовления или ремонта;

-эксплуатационные, вызванные нарушением установленных правил и условий эксплуатации, например, применение нерекомендуемых смазочных материалов, перегрузка машины, не своевременное проведение технического обслуживания.

Выделяют деградационной отказ — отказ, обусловленный естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

На машинах может встречаться так называемый перемежающийся

2

отказ, который может многократно возникать и самоустраняться, например, при ослаблении крепления электрических контактов. Другим примером перемежающегося отказа является нарушение работоспособности бульдозера в результате налипания грунта на поверхность отвала.

Отказы могут классифицироваться по последствиям, то есть явлениям, процессам, событиям и состояниям, обусловленным возникновением отказа объекта. Критериями критичности могут служить прямые и косвенные потери, вызванные отказами, затраты труда и времени на устранение последствий отказов, степень снижения производительности машины.

При классификации отказов по последствиям могут быть введены несколько категорий отказов. Например, различают критические и некритические отказы. Последние, подразделяют на существенные и несущественные отказы. Границы между категориями отказов достаточно условны. Производители машин часто отказы подразделяют на три группы: незначительные, существенные и критические, которые приводят

ккапитальному ремонту или замене объекта в целом.

Взависимости от способа устранения отказа все объекты разделяют на ремонтируемые (восстанавливаемые) и неремонтируемые (не восстанавливаемые). К ремонтируемым относят объекты, которые при возникновении отказа ремонтируют и после восстановления работоспособности снова вводят в эксплуатацию. Дорожные машины и оборудование, а также большинство их элементов являются ремонтируемыми объектами.

Неремонтируемые объекты (элементы) после возникновения отказа заменяют. К таким элементам относятся большинство асбестовых и резинотехнических изделий (тормозные накладки, накладки дисков сцепления, прокладки, манжеты), некоторые электротехническое изделия (лампы, предохранители, свечи зажигания), быстроизнашивающиеся и обеспечивающие безопасность эксплуатации детали (вкладыши и пальцы шарниров рулевых тяг, втулки шкворневых соединений). К числу неремонтируемых элементов дорожных машин относят также подшипники качения, тросы, оси, пальцы, крепежные детали. Восстановление этих элементов экономически нецелесообразно, так как затраты на ремонт достаточно велики, а обеспечиваемая при этом долговечность значительно ниже, чем у новых деталей.

Свойства надежности

Комплексное свойство надежность объекта (машины, ее составных частей) характеризуется безотказностью его работы, долговечностью, ремонтопригодностыо и сохраняемостью.

3

Безотказность - свойство объекта (машины) непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Под наработкой подразумевают продолжительность или объем работы объекта, измеряемые в часах, мото-часах, километрах или других единицах. Это свойство особенно важно для элементов системы управления, тормозных устройств и других механизмов, отказ которых может привести к аварии или к длительному простою.

Долговечность - свойство объекта (машины) сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность - свойство объекта (машины), заключающееся в его приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Безотказность, долговечность и ремонтопригодность являются основными свойствами, определяющими уровень надежности дорожностроительных машин и оборудования.

Сохраняемость - свойство объекта (машины) сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования. Это свойство более важно для машин сезонного использования и сменного рабочего оборудования: снегоочистителей, уплотняющих машин, асфальтоукладчиков.

Совокупность перечисленных свойств определяет способность объекта выполнять заданные функции, сохраняя установленные эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение установленного срока, то есть надежность изделия или машины в эксплуатации.

Показатели надежности

Надежность объекта (машины) оценивают с помощью совокупности свойств, называемых показателями надежности. Каждое из свойств, определяющих надежность изделия (долговечность, безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость), характеризуется определенной группой показателей.

Время возникновения отказа и продолжительность его устранения являются случайными величинами, поэтому показатели надежности основаны на теории вероятностей и методах математической статистики.

Показатели безотказности. Безотказность восстанавливаемого объекта характеризуется следующими основными показателями: средней наработкой на отказ, средней наработкой до отказа, вероятностью безотказной работы, интенсивностью отказов, параметром потока отказов.

Средняя наработка на отказ - отношение суммарной наработки

4

восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки. Средняя наработка до отказа - математическое ожидание наработки объекта до первого отказа.

Основным показателем безотказности является вероятность безотказной работы, то есть вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает:

где - число объектов, работоспособных в начальный момент времени; n(t) - число отказавших объектов за период времени от 0 до t.

Интенсивность отказов - условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник. Иначе говоря, это доля изделий, отказывающих в единицу времени, начиная с момента времени t, отнесенная к числу изделий, работоспособных в момент t.

Интенсивность отказов оценивают по следующей формуле:

где - число объектов, работоспособных в начальный момент времени; n(t) - число отказавших объектов за период времени от 0 до t.

где (t) - число работоспособных объектов в момент t времени.

Параметр потока отказов (t) это отношение математического ожидания числа отказов восстанавливаемого объекта за достаточно малую его наработку к значению этой наработки. Параметр потока отказов характеризует среднее число отказов ремонтируемого объекта, ожидаемых в малом интервале времени его работы:

где nI - число отказов i-го объекта за наработку t; N-число объектов,

работоспособных в начальный момент времени; t - достаточно малый интервал времени.

В число показателей безотказности неремонтируемых объектов (работающих до первого отказа) входят: вероятность безотказной работы, средняя наработка до отказа , интенсивность отказов.

Показатели долговечности. К числу основных показателей долговечности относятся: средний ресурс, гамма-процентный ресурс,

5

средний срок службы, гамма-процентный срок службы.

Ресурсом называют суммарную наработку объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. Для объектов, прошедших капитальный ремонт, вводится понятие «средний ресурс между капитальными ремонтами». Математическое ожидание ресурса называют средним ресурсом.

Гамма-процентный ресурс - наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью , выраженной в процентах. Другими словами, гамма-процентный ресурс показывает, чтопроцентов машин должны иметь наработку до предельного состояния не ниже величины t . Величина является регламентированной

вероятностью:

Если, например, t =80%, то соответствующий ресурс объекта до

капитального ремонта называется «восьмидесятипроцентным ресурсом». Для t =50% ресурс называют медианным.

Средний срок службы - математическое ожидание срока службы, который определяется календарной продолжительностью эксплуатации объекта от ее начала или возобновления после ремонта до наступления предельного состояния.

Отличие ресурса от срока службы объекта состоит в том, что первый показатель является оценкой фактической наработки машины в часах (или других единицах) без учета перерывов в работе и простоев, в то время как срок службы характеризует продолжительность существования машины с момента ввода в эксплуатацию независимо от характера ее использования.

Аналогично гамма-процентному ресурсу объектов определяют их гамма-процентный срок службы.

Показатели ремонтопригодности. Для оценки ремонтопригодности изделия используют следующие показатели: среднее время восстановления, вероятность восстановления, интенсивность восстановления, среднюю трудоемкость восстановления.

Среднее время восстановления - математическое ожидание времени восстановления работоспособности объкта после отказа. Оно характеризует продолжительность вынужденного простоя, необходимого для поиска и устранения отказа. Вероятность восстановления в заданное время Р(t tпр) - вероятность того, что время восстановления работоспособности объекта не превысит заданное значение. Оно характеризует приспособленность машины к проведению текущего ремонта при ограниченном времени.

Интенсивность восстановления - это условная плотность вероятности

6

восстановления работоспособности объекта, определенная для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента восстановление не было завершено.

Средняя трудоемкость восстановлени - это математическое ожидание трудоемкости восстановления объекта после отказа.

При определении среднего времени восстановления и средней трудоемкости восстановления объекта необходимо помнить, что оценивается свойство объекта, а не внешние факторы, влияющие на продолжительность простоя его в ремонте (например, организация обслуживания и ремонта, квалификация ремонтных рабочих). Поэтому для оценки надежности необходимо учитывать только технологическое время на ремонт.

Кроме перечисленных основных показателей при комплексной оценке ремонтопригодности объектов допускается использовать дополнительно ряд вспомогательных показателей, таких как удельная трудоемкость ремонта, удельная трудоемкость технического обслуживания.

Значение показателей ремонтопригодности определяется факторами обнаруживаемости (контролепригодность, преемственность контроля) и факторами предупреждаемости и устраняемости (доступность, легкосъемность, регулируемость, взаимозаменяемость) конструкции машины.

Показатели сохраняемости. Показателями сохраняемости являются средний срок сохраняемости, гамма-процентный срок сохраняемости. Показатели сохраняемости по сути своей соответствуют показателям долговечности и определяются по тем же формулам. Большое внимание обеспечению сохраняемости уделяют при создании машин сезонного использования, сменного рабочего оборудования и различных неметаллических элементов, таких как резинотехнические изделия (манжеты, уплотнения, диафрагмы, трубопроводы).

Комплексные показатели надежности. Каждый из описанных выше показателей позволяет оценить лишь одну из сторон надежности - одно из свойств надежности изделия. Для более полной оценки надежности используют комплексные показатели, позволяющие одновременно оценить несколько важнейших свойств изделия.

Наиболее часто применяемыми на практике комплексными показателями являются коэффициент готовности КГ , коэффициент

оперативной готовности КО.Г. и коэффициент технического использования

КТ.И..

Коэффициент готовности характеризует вероятность того, что объект окажется работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается, то есть

7

где t — наработка на отказ; t ,— среднее время восстановления.

Коэффициент оперативной готовности – это вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объкта по назначению не предусматривается, и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени

где Р(tp) - вероятность безотказной работы объекта в течение времени tp (и не зависит от момента начала работы).

Коэффициент технического использования представляет собой отношение математического ожидания суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период эксплуатации, то есть

продолжительность простоев машины в ремонте и техническом обслуживании.

Разделив числитель и знаменатель на tc, и обозначив долю дня простоя в техническом обслуживании и ремонте приходящуюся на один день работоспособного состояния, получим

Из выражений (19.5) и (19.7) следует, что чем меньше среднее время восстановления и суммарные простои, связанные с техническим обслуживанием и ремонтом, тем выше коэффициенты готовности и технического использования.

8

Объемы технического обслуживания и ремонта, определяемые исходя из обеспечения требуемого уровня безотказности, существенно влияют на коэффициент технического использования и эксплуатационные расходы.

Параметры технического состояния машины, их изменения в эксплуатации

Состояние любой механической системы, в том числе машины, агрегата (механизма), сборочной единицы характеризуется совокупностью их внутренних свойств в определенный момент времени.

В соответствии с ГОСТ 27.002 — 89 и, как указывалось выше, различают следующие основные состояния механической системы: исправное, неисправное, работоспособное, неработоспособное и предельное.

Исправным называется состояние системы, при котором она соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Неисправным называется состояние системы, при котором она не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Работоспособным называется состояние системы, при котором значения всех параметров, характеризующих способность системы выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативнотехнической и (или) конструкторской документации.

Неработоспособным называется состояние системы, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность системы выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

Предельным называется состояние системы, при котором ее дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление ее исправного или работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

При оценке технического состояния строительных и дорожных машин и их конструктивных элементов часто применяют понятие «предотказного» состояния системы, при котором ее дальнейшая эксплуатация в течение межремонтного периода может привести к возникновению отказа. Техническое состояние машины, агрегата или узла в эксплуатации оценивается количественными значениями диагностических (структурных) параметров, которые могут иметь номинальное, до-

пустимое или предельное значения (рис. 19.1).

Номинальное (начальное) значение параметра соответствует значению, которое установлено расчетом, по чертежам и гарантируется изготовителем в соответствии с техническими условиями (ТУ). Номинальное значение параметров может иметь новая, введенная в эксплуатацию машина,

9

узел или агрегат после выполненного капитального ремонта, обкатки и приработки. В процессе эксплуатации параметры изменяются по величине, уменьшаются или увеличиваются, но всегда эти изменения приводят к ухудшению технического состояния агрегата, машины.

Например, такое изменение структурного параметра, как увеличение зазоров между стенками цилиндров и поршневыми кольцами КШМ ДВС приводит к уменьшению развиваемой двигателем эффективной мощности, увеличению удельного расхода топлива и расхода масла, а это уже есть ухудшение его технических характеристик и эксплуатационных свойств машины.

Допустимое значение параметра принимается условно, как качественный переход между двумя состояниями машины (агрегата) исправным и неисправным. В то же самое время, машина (агрегат) еще сохраняет свою работоспособность. Машина может использоваться по назначению и использовать запас ресурса до очередного технического обслуживания без регулировочных работ или ремонта. При этом машина используется по назначению с пониженными техническими характеристиками и эксплуатационными свойствами.

Накапливаясь количественно, изменения параметров достигают такого предела, при котором происходит качественное изменение технического состояния машины (агрегата).

Например, постепенное увеличение зазора между коренными шейками коленчатого вала двигателя и вкладышами подшипников скольжения, сопровождается радиальными ударами и повышением температуры этих узлов. Такие изменения, далее, могут привести к поломке вала или повреждению вкладышей подшипников. Очевидно, что такие отказы, как поломка коленчатого вала, обрыв высоковольтного провода контактной системы зажигания бензинового ДВС, обрыв ремня привода водяного насоса и большое число других подобных отказов приводят, соответственно, к потере работоспособности агрегата (узла) и машины в целом.

10