Токарев А.Н. Основы теории надежности и диагностика

Подождите немного. Документ загружается.

изделий начинают анализировать конструкцию изделий,

технологию производства и условия эксплуатации.

На этом этапе было установлено, что причины поломок

машин можно обнаружить и устранить. Начинает развиваться

теория диагностики сложных систем. Появляются новые

стандарты по надежности машин.

IV этап. Этап системных методов надежности (1970 г. по

настоящее время).

На этом этапе были разработаны новые

требования к

надежности, заложившие основу современных систем и программ

обеспечения надежности. Были разработаны типовые методики

проведения мероприятий, связанных с обеспечением надежности.

Эти методики разделяются на два основных направления:

− первое направление относится к потенциальной

надежности, которое учитывает конструктивные (выбор

материала, запас прочности и т.д.) и технологические

(ужесточение допусков, повышение

чистоты поверхности

и т.д.) методы обеспечения надежности;

− второе направление - эксплуатационное, которое

направлено на обеспечение эксплуатационной

надежности (стабилизация условий эксплуатации,

совершенствование методов ТО и ремонта и т.д.).

2.2 Основные понятия надёжности машин

Процесс эксплуатации - это самый длительный и

ответственный период в жизненном цикле любой машины (как и

любого

изделия). Этот этап отличается реальными нагрузками,

действующими на машину, реальными колебаниями температур,

давлений и атмосферных осадков и т.д.

В процессе эксплуатации машина взаимодействует с

окружающей средой, а её элементы взаимодействуют между

собой. Это взаимодействие вызывает трение, нагрев, нагружение

деталей и т.д. В результате этого машина, как и её

элементы,

изменяет своё первоначальное состояние. Это состояние машины

может измениться настолько, что машина не будет способна

выполнять заданные функции.

В соответствии с этим различают 3 состояния машины:

1) Работоспособное – это состояние машины, при котором

она способна выполнять заданные функции с параметрами,

значения которых установлены технической документацией.

Рис. 2.1 – Схема видов состояний машины

2) Работоспособное, но неисправное - это состояние

машины, когда она хотя и может выполнять свои основные

функции, но не

отвечает всем требованиям технической

документации.

Исправность - состояние изделия, при котором оно

соответствует всем требованиям, установленным нормативно-

технической документацией.

3) Отказ - это событие, заключается в нарушении

работоспособности машины, т.е. состояние, когда она не может

выполнять заданные функции.

Отказ

Отказ - это основное понятие теории надежности. Отказ

происходит в результате действия на объект

множества как

объективных, так и субъективных факторов. Эти факторы

довольно трудно полностью учесть. Поэтому отказ, в большинстве

случаев, рассматривается как случайное событие.

1-а

1-б

работоспособное

неисправное, но

работоспособное

неисправное, но

работоспособное

с отклонениями

неработоспособное

Событие

Различают три вида событий: достоверное, невозможное и

случайное. Достоверное событие обязательно произойдет,

(подброшенная монета упадет на пол). Невозможное событие

никогда не произойдет (подброшенная рукой монета зависнет в

воздухе). Случайное событие может произойти или не произойти

(при бросании монеты выпал "орел" или "решка").

Случайная величина

Результатом события является некоторый

количественный

показатель – случайная величина, значение которой невозможно

достоверно предугадать (например, количество отказав машины за

год, время работы машины до отказа). Конкретное значение

случайной величины называется реализацией. При повторении

опыта её значение изменяется случайным образом. Однако среднее

значение случайной величины при возрастании числа опытов

меняется всё меньше, приобретая характер закономерности. В

этом проявляется закон больших чисел, открытый Чебышевым.

Каждое событие количественно оценивается некоторым

числом, принимающим значения в диапазоне от 0 до 1,

называемым вероятностью события. Вероятность события это

численная мера возможности появления какого-то конкретного

события в результате эксперимента. Вероятность достоверного

события равна 1, невозможного – 0, случайного – положительное

число между 0 и 1.

Классификация отказов

1). По

причинам возникновения различают отказы:

- конструкционные, вызванные недостатком конструкции;

- технологические, (производственные), вызванные

несовершенством или нарушением технологии изготовления;

- эксплуатационные, вызванные неправильной

эксплуатацией.

2). По влиянию на работоспособность машины отказы

делятся:

- на отказы элементов машины, вызывающие её

неисправность;

- на отказы элементов машины, вызывающие её отказ.

3). По связи с отказами других элементов:

- на зависимые отказы;

- на независимые отказы.

Зависимым отказом называется отказ, обусловленный

отказом или неисправностью других элементов машины.

Независимый отказ не обусловлен отказом или неисправностью

других элементов.

4). По причинам возникновения:

- на случайные (внезапные);

- на постепенные (систематические).

Случайные отказы возникают неожиданно, без видимых

признаков их приближения. Случайные отказы могут быть

вызваны: непредусмотренными перегрузками; скрытыми

дефектами материала и погрешностями изготовления, не

обнаруженными в процессе их контроля; ошибками

обслуживающего персонала или сбоями в системах (например,

превышение массы грузов, транспортируемых грузоподъёмным

механизмом; наличие раковин и микротрещин в детали; наезды на

препятствия). Случайные отказы чаще всего возникают

при работе

машины в неблагоприятных условиях эксплуатации.

Постепенные отказы возникают по причинам, вызывающим

постепенное накопление повреждений. К таким причинам

относятся: продолжительность работы, температура, нагрузка и

т.д. Эти отказы выражаются в виде износа, коррозии, залипания,

утечек и т.д.

2.3 Основные свойства надежности

Как было отмечено ранее, надежность это способность

изделия выполнять требуемые функции в заданных условиях в

течение заданного периода времени [2].

Примечание: Термин "надежность" также используется в

качестве показателя надежности, обозначая вероятность

безотказной работы или долю не отказавших изделий. В общем

виде, термин "надежность" также используется как характеристика

надежности, обозначающая вероятность успеха или его степень.

Применительно к транспортным машинам,

надежность -

это способность транспортной машины выполнять заданные

функции, сохраняя во времени значения установленных

эксплуатационных показателей в заданных пределах.

Надежность является комплексным свойством, которое в

зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации,

может включать:

а) безотказность;

б) долговечность;

в) ремонтопригодность;

г) сохраняемость.

Спецификой надежности является то, что она

характеризует и позволяет оценить, насколько быстро происходит

изменение качества

изделия при эксплуатации. По словам Б.В.

Гнеденко, надежность - это качество изделия, развернутое во

времени.

2.3.1 Безотказность

Безотказность - свойство машины непрерывно сохранять

работоспособное состояние в течение определенного времени или

наработки [2].

Под наработкой понимается продолжительность работы

машины выраженная:

- для машин в целом – во времени (часах);

- для автомобильного транспорта – в

километрах пробега

автомобиля;

- для авиации – в часах налёта самолёта;

- для с/х техники – в гектарах условной пахоты;

- для двигателей – в моточасах и т.д.

Для оценки безотказности применяют следующие основные

показатели:

- вероятность отказа;

- вероятность безотказной работы;

- плотность вероятности отказов.

1. Вероятность отказа (Р) - вероятность того, что в

заданном интервале наработки произойдет хотя бы один отказ.

Вероятность отказа изменяется от 0 до 1.

Величина обратная вероятности отказа носит название

вероятность безотказной работы (R). Вероятность безотказной

работы изменяется от 1 до 0 (см. рис. 2.2).

Рисунок 2.2 - Изменение вероятности отказа (Р) и вероятности

безотказной работы (R) в зависимости от наработки

2. Плотность вероятности отказа - вероятность отказа за

малую единицу времени или наработки при работе изделия без

замены.

()

(

)

∆⋅

∆

где m(

∆ l

) - число отказов в течение интервала ∆l

;

∆l

- длина i-го интервала наблюдения.

Графическое изображение плотности вероятности отказа

представлено на рис. 2.3.

Рисунок 2.3 - Изменение плотности вероятности отказа f(ℓ)

в зависимости от наработки ℓ

2.3.2 Долговечность

Долговечность - свойство машины сохранять

работоспособность до наступления предельного состояния при

установленной системе технического обслуживания (ТО) и

ремонта [2].

Предельное состояние – состояние машины, при котором

его дальнейшее использование должно быть прекращено из-за:

- неустранимого нарушения требований безопасности;

- неустранимого ухода заданных параметров за

установленные пределы;

- неустранимого снижения эффективности эксплуатации

ниже допустимой

;

- необходимости проведения капитального ремонта.

Примечание: признаки (критерии) предельного состояния

устанавливаются технической документацией на данный объект.

Количественно долговечность оценивается:

а) ресурсом;

б) сроком службы;

в) вероятностью достижения предельного состояния.

Ресурс - наработка машины от начала эксплуатации или ее

возобновления после ремонта до предельного состояния.

Различают ресурсы:

− средний ресурс;

− гарантийный;

− межремонтный;

− назначенный;

− оптимальный;

− гамма-процентный ресурс.

Средний ресурс – это математическое ожидание ресурса

ср

∑

где T

- ресурс i-того объекта;

N – число объектов, поставленных в эксплуатацию.

Гарантийный ресурс - наработка машины, в пределах

которой изготовитель гарантирует безотказную его работу, при

условии соблюдения потребителем правил эксплуатации, в том

числе, правил хранения и транспортирования.

Новой технике гарантийный ресурс устанавливают

заводы-изготовители. Машинам, прошедшим ремонт,

гарантийный ресурс устанавливают ремонтные предприятия.

Пример: автомобиль ВАЗ имеет гарантийный ресурс в

пределах 20 тыс. км

пробега или 18 месяцев со дня продажи.

В случаях преждевременного выхода из строя машины в

целом или её элементов по конструктивно-производственным

причинам эксплуатационные предприятия или владелец машины

предъявляют, в установленном порядке, рекламации для

возмещения материального ущерба, вызванного отказом тех или

иных элементов машины. В течение гарантийного ресурса завод-

изготовитель должен безвозмездно

заменить отказавший элемент

или машину в целом.

Межремонтный ресурс – наработка машины между двумя

последовательными ремонтами. Он устанавливается на основе

обобщения опыта эксплуатации машин данного типа.

Назначенный ресурс - суммарная наработка машины, при

достижении которой эксплуатация должна быть прекращена

независимо от её состояния (на автомобильном транспорте

применяется, в основном, для элементов, обеспечивающих

безопасность движения и для наиболее ответственных деталей).

Оптимальный ресурс. Это экономически наиболее

выгодный ресурс машины. Он определяется с учетом

материального или морального износа.

На автомобильном транспорте расчет оптимального ресурса

сводится к получению наименьших расходов на использование

автомобиля в эксплуатации.

Гамма-процентный ресурс представляет собой наработку,

в течение которой объект

не достигает предельного состояния с

заданной вероятностью γ, выраженной в процентах.

Срок службы - календарная продолжительность

эксплуатации машины от начала её эксплуатации или

возобновления после ремонта, до наступления предельного

состояния.

Аналогично с ресурсом различают:

− средний срок службы;

− гарантийный срок службы;

− срок службы между ремонтами;

− срок службы до списания (назначенный срок службы);

− оптимальный срок службы.

Средний срок службы — математическое ожидание

срока службы. Статистическую оценку среднего срока службы

определяют по формуле:

ссi

ср

сс

∑

где Т

сс i

– срок службы i-того объекта.

Гамма-процентный срок службы представляет собой

календарную продолжительность эксплуатации, в течение которой

объект не достигает предельного состояния с вероятностью γ

выраженной в процентах. Для его расчета используют

соотношение

()

100

∫

∞

сл

слслсл

dTTPTP

Назначенный срок службы — суммарная календарная

продолжительность эксплуатации, при достижении которой

применение объекта по назначению должно быть прекращено

независимо от его технического состояния.

Под установленным сроком службы понимают технико-

экономически обоснованный или заданный срок службы,

обеспечиваемый конструкцией, технологией и эксплуатацией, в

пределах которого объект не должен достигать предельного

состояния.

2.3.3 Ремонтопригодность

Ремонтопригодность (эксплуатационная технологичность) -

свойство машины, заключающееся в её приспособленности к

предупреждению, выявлению и устранению отказов и

неисправностей при проведении ТО и ремонта [2].

Показатели ремонтопригодности.

В теории надежности для изделий машиностроения чаще

всего используют два показателя ремонтопригодности — среднее

время восстановления и вероятность восстановления.

Среднее время восстановления — математическое

ожидание времени восстановления объекта. Статистическую

оценку этого параметра определяют по формуле:

вк

ср

∑

где

вк

— время восстановления k-того объекта;

m – число отказов объекта за заданный срок испытаний

или эксплуатации.

Вероятность восстановления работоспособного

состояния — это вероятность того, что объект будет восстановлен

в заданное время t

(

)

etP

−

= ,

где λ - интенсивность отказов.

Дополнительные показатели ремонтопригодности

определяются двумя взаимосвязанными группами:

- конструктивно-производственными;

- эксплуатационными.

К конструктивно-производственным показателям

относятся:

- доступность;

- контролепригодность;

- легкосъёмность;

- взаимозаменяемость;

- унификация систем и агрегатов.

К эксплуатационным показателям относятся:

- формы организации ТО и ремонта;

- состояние производственно-технической базы;

- квалификация специалистов ТО и

ремонта;

- полнота удовлетворения требований в запасных частях;