Кулешов А.А. Надежность горных машин и оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

3) использование дополнительной информации;

4) способность элементов выполнять дополнительные функ-

ции, кроме непосредственно установленных;

5) способность элементов выполнять дополнительные нагрузки.

Резервирование – один из способов поддержания уровня на-

дежности оборудования. Показатели надежности зависят от схемы и

способов резервирования. Существует понятие «состояние» систе-

мы, которое характеризуется работоспособностью одного из эле-

ментов и всей системы в целом. Описание состояний системы про-

изводится с помощью графов переходов из одного состояния в дру-

гое. На основании графов переходов составляются системы диффе-

ренциальных уравнений, решение которых позволяют определить

вероятность безотказной работы машины при различных вариантах

компоновки и резервирования элементов объекта.

2.4.1. Термины и определения

Основной элемент – элемент структуры объекта, минималь-

но необходимый для выполнения заданных функций.

Резервный элемент (резерв) – элемент, предназначенный для

обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного

элемента.

Нагруженный резерв – резервный элемент, находящийся в

том же состоянии, что и основной элемент.

Облегченный резерв – резервный элемент, находящийся в

менее нагруженном режиме, чем основной элемент.

Ненагруженный резерв – резервный элемент, практически не

несущий нагрузок.

Восстанавливаемый резерв – резервный элемент, работоспо-

собность которого в случае отказа подлежит восстановлению.

Невосстанавливаемый резерв – резервный элемент, работо-

способность которого в случае отказа не подлежит восстановлению.

Общее резервирование – резервируется объект в целом.

Раздельное резервирование – резервируются отдельные эле-

менты или их группы.

Смешанное резервирование – совмещение различных видов

резервирования.

Постоянное резервирование – резервные элементы участву-

ют в функционировании объекта наравне с основными.

Резервное замещение – резервирование, при котором функ-

ции основного элемента передаются резервному элементу только

после отказа основного.

2.4.2. Структурные схемы соединений элементов

Различают структурное резервирование общее и раздельное.

При общем резервировании резервируется объект в целом. При раз-

дельном резервировании резервируются отдельные элементы объек-

та (детали, узлы, блоки, агрегаты), схемы и т.д. Часто используется

смешанное резервирование.

Раздельное резервирование гораздо эффективнее общего.

Эффективность повышается при снижении уровня резервирования,

т.е. чем меньшая часть объекта резервируется как единое целое, тем

больше P(t) объекта.

Постоянное структурное резервирование – то, при котором

резервные элементы функционируют наравне с основными в тече-

ние всего времени работы и находятся в одинаковом с ним режиме.

Структурное резервирование замещением – резервирование,

при котором функции основного элемента передаются резервному

только после отказа основного элемента. Передача функций основ-

ного элемента резервному может производиться вручную или авто-

матически.

Если система состоит из n элементов, из которых один ос-

новной и n-1 – резервный, то

)(

т.е. вероятность отказа при резервном замещении в n! раз меньше,

чем при постоянном резервировании, так как резервные элементы не

находятся под нагрузкой. Должна быть обеспечена надежная пере-

дача функций резервному элементу.

Рассмотрим эффективность разных способов структурного

резервирования. Система из четырех элементов, соединенных по-

следовательно (рис.2.2, а). Вероятность безотказной работы

P(t) = 0,9, вероятность отказа q(t) = 1 – 0,9 = 0,1,

P(t) = P

(t) = 0,9

= 0,66; Q(t) = 1 – P(t) = 1 – 0,66 = 0,34.

Общее постоянное резервирование системы (рис.2.2, б):

Q(t) = 0,34

= 0,12; P(t) = 1 – 0,12 = 0,88.

Общее резервирование системы замещением при надежном

переключении (рис.2.2, в):

;06,0

34,0

)(

p.c

===

Рис.2.2. Структурные схемы различных видов резервирования: а –

без резервирования; б – общее постоянное резервирование; в – общее

резервирование замещением; г – раздельное постоянное резервирование

каждого элемента; д – раздельное резервирование замещением

каждого элемента

.94,006,01)(1)(

p.cp.c

=−=−= tQtP

Раздельное постоянное резервирование каждого элемента

системы (рис.2.2, г):

[ ]

( )

;96,01,01)(1)(

4242

p.c

=−=−= tqtP

.04,096,011)(

p.cp.c

=−=−= PtQ

Раздельное резервирование замещением каждого элемента

системы (рис.2.2, д):

;98,0

1,0

)(

1)(

p.c













−=













−=

.02,098,01)(

p.c

=−=tQ

Очевидно, что раздельное резервирование намного эффек-

тивнее общего, а резервирование замещением при надежном пере-

ключении эффективнее постоянного.

Влияние масштаба резервирования можно оценить следую-

щим образом.

Вероятность безотказной работы одного конвейера P

. Веро-

ятность безотказной работы (рис.2.2, а) Р

= 1 – (1 –

)

Вероятность отказа двух параллельных конвейеров (рис.2.2, б)

(1 – Р

)

. Вероятность безотказной работы Р

= 1 – (1 – Р

)

Рассмотрим три группы по два конвейера последовательно

соединенные. Тогда вероятность безотказной работы системы

(рис.2.2, б) Р

= [1 – (1 – Р

)

]

;

при n = 3, m = 2 и Р

= 0,9:

= 1 – (1 – 0,9

)

= 0,93; Р

= [1 – (1 – 0,9)

]

= 0,99

= 0,97.

Отсюда видно, что схема на рис.2.2, б надежнее.

Надежность при различных схемах резервирования рассчи-

тывается по следующим формулам.

Общее постоянное резервирование системы (рис.2.2, б)

Р = 1 – (1 – Р

)

; Р = 1 – (1 – Р

)

Общее резервирование системы замещением при надежном

подключении (рис.2.2, в)

)1(

−

−=

Общее постоянное резервирование каждого элемента

(рис.2.2, г)

Р = [1 – (1 – Р

)

]

Общее резервирование замещением каждого элемента

(рис.2.2, д)

( )













−

−=

2.4.3. Надежность видов соединений

Расчет надежности изделия, состоящего из ряда элементов,

возможен после формирования ее структурной схемы. При этом

считают, что элементы изделия взаимодействуют последовательно,

если отказ любого из них приводит к отказу всей системы. В этом

случае система работоспособна, если работоспособны и элемент А,

и элемент Б, и т.д. Союз «и» предопределяет применение теоремы

умножения вероятностей. Система находится в состоянии отказа,

если отказал или элемент А, или элемент Б, и т.д. В этом случае ве-

роятность отказа определяется по теореме сложения вероятностей

отказов элементов.

Элементы изделия взаимодействуют параллельно, если его

работоспособность будет обеспечена при сохранении работоспособ-

ности хотя бы одного элемента, т.е. работоспособен или А, или Б, и

т.д. Вероятность безотказной работы такого изделия определяется

по теореме сложения вероятностей для совместных событий. При

большом количестве параллельно соединенных элементов использо-

вание теоремы сложения вероятностей приводит к весьма громозд-

кой расчетной зависимости. Поэтому удобнее определять вероят-

ность отказа изделия по теореме умножения вероятностей отказов и

уж затем вероятность безотказной работы:

P = 1 – Q = 1 –

i 1=

= 1 –

i 1=

(1 – p

Следует отметить, что понятия параллельного и последова-

тельного взаимодействия с точки зрения теории надежности не со-

ответствуют соединению элементов в физическом смысле. Напри-

мер, на сливных линиях из зумпфа фабрики устанавливают по две

задвижки, физически соединенные последовательно (рис.2.3). С

точки зрения теории надежности эти задвижки взаимодействуют

последовательно при открывании слива (нормальное положение за-

движек – закрыто) и параллельно при закрывании слива (нормаль-

ное положение – открыто).

Таким образом, при формировании структурной схемы

взаимодействия элементов любой системы необходим

предварительный анализ ее нормальной работы. Для этого

рекомендуется использовать инструменты функционального анали-

за. Вначале формулируется главная функция изделия, а затем –

основные, которые обеспечивают выполнение главной функции и

позволяют выделить основные структурные элементы изделия. По-

сле этого устанавливается последовательность прохождения важ-

нейшего потока (вещественно-

го или полевого) через струк-

турные элементы. Именно эта

последовательность устанавли-

вает характер взаимодействия

элементов – параллельное, по-

следовательное или смешан-

ное. Рассмотрим на примере

изложенную методику по-

строения структурной схемы

взаимодействия изделия.

Рис.2.3. Виды соединения элементов

Имеется роликоопора грузовой ветви ленточного конвейера

(рис.2.4). Груз лежит на ленте, которая размещена на трех роликах с

подшипниками, опирающихся на стойки. Необходимо построить

структурную схему роликоопоры. Главная функция роликоопоры –

снизить сопротивление движению ленты с грузом. Основные функ-

ции: обеспечить низкий коэффициент трения; поддержание ленты с

грузом; желобчатость сечения потока груза.

Первую основную функцию выполняют ролики с подшипни-

ками, вторую – стойки с роликами, третью – комплект роликов. Так

как главная функция связана с потоком сил (полевой поток), то не-

обходимо рассматривать последовательность прохождения этим по-

током всех элементов изделия. Сопротивления движению создают

силы веса груза и ленты. Эти силы от ленты с грузом (элемент над-

системы) проходят последовательно через ролики с подшипниками,

стойки, раму конвейерного става (элемент надсистемы). Таким обра-

зом, получаем структурную схему роликоопоры конвейера (рис.2.5).

Рис.2.5. Структурная схема роликоопоры

Рис.2.4. Грузовая роликоопора конвейера

Груз на ленте

Стойки

Ролики с подшипниками

Лента

и груз

Подшипник

Стойка

Ролик

Структурная схема взаимодействия элементов роликоопоры

имеет смешанный вид. После математического описания в виде

уравнения показателя надежности роликоопоры в зависимости от

показателей надежности ее структурных элементов возможен анализ

режимов работы роликоопоры.

Для т последовательно взаимодействующих элементов ве-

роятность безотказной работы определяется по зависимости

Р =

i 1=

где р

– вероятность безотказной работы i-го элемента.

Если все элементы имеют одинаковую вероятность р, то

Р = р

Для п параллельно взаимодействующих элементов вероятность

отказа i-го элемента q

= 1 – p

, а вероятность отказа т элементов

Q =

i 1=

(1 – p

Вероятность безотказной работы всего изделия

Р = 1 – Q = 1 –

i 1=

(1 – p

При одинаковых элементах

Р = 1 – (1 – р)

Если изделие состоит из т элементов, взаимодействующих

последовательно и образующих п параллельно взаимодействующих

цепочек, то вероятность безотказной работы всего изделия

Р = 1 –

j 1=

(1 –

i 1=

При одинаковых элементах

Р = 1 – (1 – р

)

3. ПЕРИОДИЧНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

И РЕМОНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ

Существуют два основных метода организации технического

обслуживания горного оборудования: на основе статистического

анализа причин и периодичности отказов оборудования и на основе

контроля технического состояния элементов и узлов машины и про-

гнозирования ее ресурса.

Первый метод связан со сбором и классификацией информа-

ции о надежности однотипных объектов. Анализ этой информации

позволяет установить наиболее важные причины отказов и с опреде-

ленной вероятностью периодичность их возникновения. В этом слу-

чае энергомеханическая служба горного предприятия получает воз-

можность своевременно подготовиться и провести профилактиче-

ские работы по предотвращению аварийных отказов оборудования,

рассчитать материальные, трудовые и финансовые затраты, оценить

ожидаемую себестоимость конечного продукта.

Второй метод связан с постоянным или периодическим кон-

тролем основных характеристик объекта. При наступлении критиче-

ского состояния проводятся профилактические работы. В этом слу-

чае достигаются максимальное использование ресурса объекта,

своевременность ремонтов, минимальная вероятность аварийных

отказов и высокая эффективность использования оборудования.

Достоинства и недостатки присущи обоим методам и трудно

говорить о преимуществах одного перед другим. Первый метод

обычно используется при эксплуатации относительно недорогого

оборудования, имеющего высокую ремонтопригодность, второй –

при эксплуатации сложных и дорогих систем, в случае тяжелых по-

следствий аварийных отказов.

3.1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ

Техническая диагностика охватывает методы и средства оп-

ределения состояния технического объекта. Процесс определения

состояния технического объекта называют диагностированием. Раз-

личают рабочее диагностирование, при котором на объект подаются

рабочие воздействия, и тестовое, при котором на объект подаются

тестовые воздействия. Диагностирование выполняют с целью либо

контроля работоспособности объекта, либо поиска дефекта, либо

формирования прогноза дальнейшего изменения состояния, либо

сочетаний этих целей. Процесс диагностирования осуществляется с

помощью комплекта измерительных приборов, специального обору-

дования и программ измерения. В результате получают диагноз со-

стояния объекта. Состояние объекта оценивается по диагностиче-

ским признакам – параметрам или характеристикам, отражающим

изменение объекта в процессе эксплуатации. Общим понятием ди-

агностики является работоспособность, которая позволяет обозна-

чать классы состояний объектов.

Для обследования сложных технических систем исполь-

зуют диагностические системы в ЭВМ. Из-за сложности и высо-

кой стоимости средств диагностирования этот метод используют

в особых случаях.

3.1.1. Прогнозирование технического состояния объектов

В процессе эксплуатации диагностирование выполняется ли-

бо непрерывно, либо периодически для оценки состояния и прогно-

зирования его изменения в ближайшем будущем. При непрерывном

диагностировании параметры оцениваются в рабочем режиме рабо-

ты объекта либо переключаются на короткое время в специальный

диагностический. Периодическое диагностирование выполняется с

регулярным или случайным периодом.

Обычно используют следующие методы диагностирования:

по параметрам рабочих процессов (скорость резания, потребляемая

мощность, развиваемое давление и пр.), по параметрам сопутст-

вующих процессов (количество выделяемого тепла, уровень вибра-

ции, шумы и пр.), по структурным параметрам (зазоры в соединени-

ях, разброс значений погрешности и пр.)

Модель процесса прогнозирования включает три этапа: рет-

роспектирование, диагностирование, прогнозирование. На первом

этапе анализируют опыт эксплуатации объекта путем сопоставления