Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 72
|
[1] СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ 5
[2] [2.1] 5.1. Проблема качества и надежности машинного парка [1,2] [2.2] 5.2. Предмет науки о надежности. [2.3] 5.2. Основные понятия и показатели [2.3.1] 5.2.1. Работоспособность и надежность изделий
[2.4] 5.2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ [2.4.1] 5.2.1. Классификация отказов [2.4.2] 5.2.2 Показатели надежности систем (машин) |
Мы переживаем период, когда технические устройства и машины настолько внедрились в нашу жизнь, что без них и общество в целом и каждый из нас не только не смогут нормально функционировать, но окажутся на грани выживания. Человечество срослось с техникой в единую сверхсложную систему, эффективность и жизнеспособность которой зависит от всех ее компонентов. Поэтому от того, какие машины созданы какими конструктивными особенностями они обладают, какие функции выполняют, какие показатели их характеризуют, как машина взаимодействует с людьми и окружающей средой, зависят многие проблемы, стоящие перед человечеством.
Машина это устройство, выполняющее механические движения с целью преобразования энергии, материалов, информации или для совершения какой-либо необходимой работы.
На нашей планете функционирует огромное количество самых разнообразных по конструкции и назначению машин, которые изменяют жизнь людей и окружающую среду.
Несмотря на это разнообразие имеет место общая логика развития всех машин и могут быть найдены единые критерии для оценки степени их совершенства.
В мире идет непрерывный процесс обновления машинного парка: появляются новые образцы машин, совершенствуются существующие, ликвидируются отжившие свой век, экземпляры.
При создании новых машин идет постоянный поиск решений, которые позволят повысить технико-экономические характеристики машины, придать ей новые функции, обеспечить конкурентоспособность.
Для всех без исключения типов машин характерны такие направления их развития, как увеличение степени автоматизации, повышение режимов работы – нагрузок, скоростей, температур, борьба за малые габариты и массу, повышение требований к точности функционирования, к эффективности их работы (производительности, мощности, КПД), объединение машин в системы с едиными управлением.
Особенно характерно для современных машин объединение в одну систему механических устройств и электроники (мехатронные системы), что обеспечивает более широкие возможности по управлению, адаптации к внешним воздействиям, регулированию различных функций.
Для эффективного использования машин необходима, чтобы они обладали высокими показателями качества и надежности.
В философском понимании качество – это неотъемлемая от объекта совокупность признаков, выражающих его специфику и отличие от других объектов.
Под качеством технического устройства понимается обычно совокупность свойств, определяющих степень его пригодности для использования по назначению. Стандарт ИСО (ISO – International Organization for Standardization) дает следующее определение: «Качество – совокупность свойств и характеристик продукции или услуги, которые придают им способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности» (ИСО 8402-86).
Поскольку использование любого изделия осуществляется в течение определенного, как правило, длительного периода времени, то под влиянием различных факторов происходит изменение свойств, которые определяют его качество.
Поэтому надежность, которая изучает изменение показателей во времени, является как бы «динамикой качества», его разверткой во времени.
Надежность – это свойство машины сохранять требуемые показатели качества в течение всего периода ее использования (см. ГОСТ 13377-75).
Изменение технических характеристик машины во времени является закономерным проявлением важнейшего и неотъемлемого свойства всех материальных объектов – движения в его философском понимании, ибо ничего неизменного в природе нет.
Можно замелить нежелательные процессы, сделать так, чтобы отклонения качественных показателей машины находились в течение необходимого времени в допустимых пределах, но исключить их полностью нельзя.
Любая машина, выполняя определенные функции, находится во взаимодействии с окружающей средой, с человеком, управляющим машиной, с объектом для которого она предназначена.
При этом возникают разнообразные причинно-следственные связи как формы проявления всеобщей универсальной связи явлений в природе. Накопление количества различных воздействий на машину приводит к эволюции ее качественных показателей и, в соответствии с законами диалектики, к возможности перехода в иное качественное состояния.
Нельзя создать идеальную, абсолютно надежную машину, которая неизменно находилась бы в том же состоянии, что и новая. Изменение качества машины во времени может быть абсолютным и относительным.
Абсолютное изменение качества машины связано с различными процессами, действующими на машину и изменяющими свойства или состояние материалов, из которых она выполнена, за счет чего изменяются показатели машины и происходит ее физическое старение.
Относительное изменение качества машины связано с появлением новых машин с более совершенными характеристиками. Поэтому показатели данной машины становятся более низкими по сравнению со средним уровнем, хотя их абсолютные значения они могут и не измениться
Снижение показателей машины относительно требований сегодняшнего дня приводит к ее моральному износу.
Наука о надежности изучает изменения показателей качества машины под влиянием тех причин, которые приводят только к абсолютным изменениям ее свойств.
Надежность изделия является одним из основных показателей его качества.
Стремление обеспечить высокий уровень качества и надежности является основной движущей силой при создании новых и использовании существующих изделий.
Мероприятия, в этой области, затрагивают все стадии создания и реализации изделия, включая этапы проектирования, изготовления, испытания, хранения и эксплуатации. Популярность получило изображение этих этапов в виде петли (спирали) качества (стандарт ИСО №9004), которая изображена на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Петля качества
Каждый этап жизненного цикла машины вносит свою лепту в решение трудной задачи создания машины требуемого уровня надежности с наименьшими затратами времени и средств.
Особое значение для создания высоконадежных машин имеет этап расчета и проектирования изделия, когда закладываются все основные технические характеристики машины.
При проектировании машины устанавливаются и обосновываются необходимые требования к надежности, что обеспечивается за счет конструкции и применяемых материалов. На этой стадии разрабатываются методы защиты машины от различных вредных воздействий, рассматриваются возможности автоматически восстанавливать утраченную работоспособность, оценивается приспособленность машины к ремонту и техническому обслуживанию.
При изготовлении (производстве) машины обеспечивается и контролируется ее надежность, так, как она зависит от качества изготовленных деталей, методов контроля выпускаемой продукции, возможностей управления ходом технологического процесса, от качества сборки машины и ее узлов, методов испытания и доводки и других показателей технологического процесса.
При эксплуатации машины реализуется ее надежность, при этом она зависит от методов и условий эксплуатации машины, принятой системы ее ремонта, методов технического обслуживания, применяемых режимов работы и других эксплуатационных факторов.
Методы повышения качества и надежности, имея общую для всех машин направленность, обладают, как правило, теми или иными специфическими особенностями в зависимости от конструкции, назначения и тех требований, которые предъявляются к конкретному образцу.
В табл. 5.1 приведена классификация машин по их назначению, в которой указаны также основные требования к их техническим характеристикам. Электронно-вычислительные машины включены в данную классификацию условно, поскольку в этих устройствах «механические движения» не являются основными для выполнения заданных функций.
Уровень надежности машины должен быть таким, чтобы при ее использовании в любых, оговоренных техническими условиями (ТУ) ситуациях не возникали отказы, т.е. не нарушалась ее работоспособность. Кроме того, во многих случаях желательно, чтобы машина имела запас надежности для повышения сопротивляемости экстремальным воздействиям, когда машина попадает в условия, не предусмотренные ТУ.
Не все машины обладают таким качеством. Характеристика машин по достигнутому уровню надежности схематично показана на рис. 5.2.
Рис. 5.2. Уровень надежности машин
Уровень надежности машины оценивается некоторым коэффициентом K (запас надежности), который характеризует поведение машины в нормальных условиях эксплуатации (предусмотренных ТУ) и в экстремальных ситуациях. При К < 1 не обеспечивается необходимая надежность машины и имеется вероятность возникновения отказов, особенно при напряженных режимах работы машины и интенсивном воздействии окружающей среды. При К = 1 машина удовлетворяет всем требованиям надежности, а при К > 1 имеется запас надежности для возможности сохранять работоспособность и функционировать при экстремальных ситуациях.
Кроме того, запас надежности необходим для обеспечения работоспособности машины при ее износе. Износ приводит к постепенному ухудшению технических характеристик машины. Поэтому, чем выше запас надежности, тем дольше при прочих равных условиях, машины будет находится в работоспособном состоянии.
Таблица 5.1. Классификация машин по их назначению
|
Категория машин |
Назначение |
Примеры машин |
Основные требования |
|
Технологические |
Изменение формы и свойств объекта производства |
Станки, прессы, прокатные станы, сварочные машины, текстильные, полиграфические, дорожно-строительные |
Качество продукции, производительность |
|
Химико-технологические |
Получение новых материалов и продуктов |
Машины химических и пищевых отраслей промышленности |
Качество продукции, производительность, безопасность |
|
Транспортные |
Перемещение объекта |
Автомобили, самолеты, железнодорожный и водный транспорт, подъемно-транспортные машины |
Скорость, безопасность, грузоподъемность |
|
Энергетические |
Преобразование одного вида энергии в другой |
Электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, турбины, атомные реакторы, паровые котлы |
КПД, мощность, безопасность |
|
Сельскохозяйственные |
Выращивание и обработка биомассы |
Комбайны, доильные агрегаты, чаеуборочные машины |
Качество продукции, производительность |
|
Горнодобывающие и обогатительные |
Добыча и обработка полезных ископаемых |
Буровые установки, дробильное оборудование, промывочные машины |
Производительность |
|
Контрольные и испытательные |
Оценка параметров объекта |
Контрольно-измерительные, испытательные, диагностические агрегаты |
Точность и скорость оценок |
|
Счетно-решающие |
Решение математических задач |
Электронно-вычислительные цифровые и аналоговые машины |
Правильность вычислений |
|
Военные |
Поражение объекта |
Орудия, ракеты, танки, военная авиация |
Выполнение боевого задания |
|
Медицинские |
Восстановление здоровья человека |
Искусственные органы (почки, сердце), хирургические агрегаты |
Точность функционирования, безотказность, безопасность |
|
Музыкальные |
Исполнение музыкальных произведений |
Музыкальные инструменты и автоматы |
Качество звука |
|
Развлекательные |
Развлечение людей |
Игрушки, сувениры, игровые автоматы |
Привлекательность |
Недостаточный уровень надежности машины (как новой, так и «изношенной») может привести к различным последствиям при нарушении ее работоспособности, основными из которых являются:
гибель изделия, когда оно перестает функционировать в результате поломки, деформации, заклинивания механизмов, возникновения катастрофических процессов (разрушения конструкции, пожара, радиации, химических реакций и др.);
снижения эффективности работы изделия, когда оно способно функционировать, но с меньшими скоростями, КПД, производительностью, мощностью, точностью и другими техническими характеристиками, которые были достигнуты для новой неизношенной машины.
Первая категория последствий является недопустимой, она часто связана не только с уровнем надежности изделия, но и с другими обстоятельствами, которые рассматриваются в проблеме безопасности.
Вторая категория последствий характерна для «нормального» функционирования большинства машин и технических устройств.
Поведение машины с позиций надежности связано с изменением во времени тех ее «выходных» параметров, которые характеризуют назначение и качество машины и должны находится в установленных пределах.
Оценка параметрической надежности машины и анализ причин и последствий изменения ее технических характеристик в процессе длительной эксплуатации является фундаментом всей проблемы надежности.
Надежность, внедряясь в различные сферы человеческой деятельности, использует разработки многих отраслей знаний. Вместе с тем, она является самостоятельным научным направлением со своими принципами и методологией.
В условиях интенсивного развития машиностроения практика с ее разнообразными запросами в области проектирования, производства и эксплуатации машин ставит перед наукой о надежности новые задачи, связанные, например, с прогнозированием, с методами испытания на надежность, с оптимизацией конструкции по критериям качества и надежности.
Наука, реагируя на эти запросы практики, привлекает различные области знаний, модернизирует существующие теории и положения, предлагает новые математические модели. Поэтому часто возникает вопрос о содержании и методах раздела науки, который относится к надежности машин.
Где граница между проблемами надежности и задачами смежных наук? Что является главным содержанием науки о надежности? Какие основные направления и тенденции развития характерны для нее?
Вместе с тем, как бы разнообразны не были машины и условия их работы, формирование показателей надежности происходит по общим законам, подчиняется единой логике событий, и раскрытие этих связей является основой для оценки, расчета и прогнозирования надежности, а также для построения рациональных систем производства, испытания и эксплуатации машин.
Наука о надежности изучает закономерности изменения показателей изделий с течением времени, и на основании этого разрабатывает методы, обеспечивающие с наименьшими затратами времени и средств необходимую продолжительность и безотказность работы технических устройств.
Следует подчеркнуть, что наука о надежности не рассматривает вопросов достижения определенного уровня показателей качества машин – их точности, мощности, КПД, производительности – это задача отраслевых наук, а рассматривает процесс изменения этих показателей с течением времени.
Исторически наука и исследования в области надежности развивались по двум основным направлениям.
Первое направление, которое возникло в радиоэлектронике, связано с развитием математических методов оценки надежности, особенно применительно к сложным системам, со статистической обработкой эксплуатационной информации, с разработкой методов, обеспечивающих высокий уровень надежности, в первую очередь, за счет оптимизации структуры сложной системы.
Второе направление, которое возникло в машиностроении, связано с изучением физики процессов старения (изнашивания, усталостного разрушения, коррозии и др.), с разработкой соответствующих методов расчета на долговечность, с применением технологических приемов, обеспечивающих необходимую надежность машины.
Следующий этап развития науки о надежности отражает процесс взаимного слияния этих двух направлений, перенесения рациональных идей из одной области в другую и формирование на этой основе единой науки о надежности изделий.
В реально функционирующих системах всегда могут присутствовать неисправности и в целом возможно общее несовершенство и неточности в работе. Поэтому не нужно считать это противоестественным и пытаться изобрести идеальную машину без потерь, а рассматривать источники и причины вредных воздействий, изучать реакцию машины на эти воздействия, создавать такие системы, которые могли бы успешно выполнять заданные функции в различных условиях эксплуатации.
При этом должны учитываться и физика явлений, и вероятностная природа этих процессов, и статистические вариации характеристик исследуемых объектов, и широкий диапазон тех задач, которые выполняют технические устройства. Сложность всех этих явлений привела к тому, что для решения вопросов надежности широко применяют методы математической статистики, и они дали много положительных и эффективных результатов.
Однако статистика делает свои выводы на основе уже совершившихся событий, а надежность должна предсказать, что произойдет с новым, в настоящее время удовлетворяющим нас изделием. Поэтому методологическая база решения проблемы надежности – это методы прогноза возможных изменений на основе изучения физики процессов старения с их стохастической природой. Несовершенство чисто статистических методов теории надежности заключается в том, что закономерности, необходимые для оценки надежности изделия, получают непосредственно из опыта как результат анализа массовых событий. Такими событиями, которые подчиняются тем или иным статистическим закономерностям, являются отказы функционирующих объектов.
Поэтому эти методы непригодны для надежности изделия не только на стадии проектирования, но и при наличии опытного образца или при работе неизношенных машин.
В настоящее время все большие позиции завоевывает методический подход, базирующийся на разработке моделей параметрической надежности, в которых формализуется процесс изменения во времени работоспособности машины. Вероятностные характеристики этого процесса могут быть спрогнозированы на ранних стадиях создания машины
Решение этих задач и создание инженерных методов расчета надежности осложняется следующими особенностями данной проблемы:
Надежность связана со всеми этапами проектирования (проектировочная), изготовления (технологическая) и использования (эксплуатационная надежность) изделий.
Поэтому надежность является как бы “'динамикой качества”, его разверткой во времени. Причем наука о надежности не рассматривает вопросы достижения определенного уровня показателей качества изделий – их точности, мощности и т.д.
Наука о надежности на основании прогноза поведения системы разрабатывает теорию принятия оптимальных решений для обеспечения требуемого уровня надежности.
Поэтому основными особенностями научного аспекта проблемы надежности машин:
Остановимся кратко на содержании теоретических основ науки о надежности машин.
Как всякая прикладная область знаний наука о надежности использует математические и естественные науки, те их разделы и теоретические разработки, которые способствуют решению поставленных задач.
Математические методы теории надежности получили в настоящее время достаточно широкое развитие и дают инженеру большие возможности для удовлетворения различных запросов практики.
Для решения задач надежности используются теория вероятностей, математическая статистика, теория случайных процессов, теория информации, методы теории автоматического управления, теория массового обслуживания и другие разделы прикладных математических наук.
Второй теоретической основой надежности являются результаты естественных наук, изучающих физико-химические процессы разрушения, старения и изменения свойств материалов, из которых изготовлены машины или которые необходимы для их функционирования (топливо, смазочные материалы).
Сюда относятся науки, изучающие механические виды разрушения материалов (например, сопротивление материалов), изменения, происходящие в поверхностных слоях материалов (трибология), химические процессы разрушения в материалах (коррозия металлов, старение) и др.
Основной особенностью исследований, связанных с изучением материалов и направленных на решение задач надежности, является нахождение временных закономерностей процессов старения.
Кроме того, необходимо учитывать, что для многих современных машин характерен не только широкий диапазон скоростей и нагрузок, но и воздействие коррозионно-агрессивных сред, высоких и низких температур, наличие вакуума, электромагнитных влияний, ядерных облучений и других воздействий. В этой связи, нахождение закономерностей процесса разрушения должно базироваться на применении методов физико-химической механики материалов и физики твердого тела.
Для машиностроения при решении задач надежности все чаще и чаще требуются методы механики. К ним тесно примыкает технологический аспект надежности, особенно с позиции точности изготовление и сборки составных частей машины, поскольку именно технология ответственна за отклонение начальных параметров машины от идеальных.
Разработка различных методов оценки показателей надежности, особенно на ранних стадиях создания машин с учетом специфики их конструкции, назначения и условий эксплуатации, является основным содержанием и целью теории надежности машин.
Теория надежности позволяет решать следующие основные задачи.
На этапе проектирования – расчет сроков службы основных элементов машины (по износу, усталостной прочности), прогнозирование надежности машины по ее выходным параметрам, анализ вариантов и выбор рациональной конструкции по показателям надежности, оценка оптимальных режимов работы и области применения машины с учетом заданного периода сохранения работоспособности.
На этапе создания нового образца – создание системы управления качеством и надежностью, обеспечение надежности технологического процесса изготовления деталей и узлов машины, разработка методов испытания образцов машин по параметрам качества и надежности.
На этапе эксплуатации – разработка рациональной системы технического обслуживания и ремонта машины, создание методов и средств для диагностирования состояния машины в процессе эксплуатации, создание информационной базы данных о надежности машины и ее элементов.
Эффективность мероприятий, проводимых для повышения надежности данной машины, в сильной степени зависит от научной базы, от правильности общего методологического подхода, от системности мероприятий, которые должны охватывать все стороны сложных процессов и явлений, определяющих оптимальные пути достижения конечного результата – получения требуемого уровня надежности выпускаемого изделия.
Каждое изделие (деталь, узел, агрегат, машина в целом) характеризуется определенными выходными параметрами – величинами, определяющими показатели качества данного изделия. Выходные параметры могут характеризовать самые разнообразные свойства данного изделия в зависимости от его назначения и тех требований, которые к нему предъявляются. Это могут быть показатели точности функционирования, механические и прочностные характеристики, кинематические и динамические параметры, экономические показатели и др.
Обычно каждое изделие характеризуется рядом выходных параметров и их допустимое значение оговаривается в нормативных документах (стандартах, технических условиях).
Значение каждого выходного параметра зависит от выходных параметров узлов и отдельных частей, составляющих данное изделие.
Работоспособность – это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией.
Техническая документация предусматривает уровень внешних воздействий, методы технического обслуживания и ремонта (систему ремонта, затраты на ремонт и др.), нормы и допустимые отклонения от установленных параметров.
Таким образом, работоспособность изделия связана не только со «способностью работать», т.е. выполнять необходимые функции, но и с тем, чтобы при этом выходные параметры изделия находились в допустимых пределах.
Отказ – это событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия. Примеры отказов: поломка вала, заклинивание золотника гидросистемы, выход за допустимые пределы КПД двигателя, времени включения фрикционной муфты, величины деформации станины станка и др. Естественно, что различные отказы имеют и разные последствия – от незначительных отклонений в работе машины до аварийных ситуаций. Поэтому ниже будут особо рассмотрены показатели для оценки степени опасности отказов и классификация отказов.
Любой отказ возникает или может возникнуть через некоторый период времени, который является случайной величиной. В зависимости от причин отказа следует по-разному оценивать и время работы изделия. Здесь могут быть два основных случая (табл. 5.1) Первый - когда время оценивается календарной продолжительностью работы изделия. Это характерно для таких причин нарушения работоспособности, как коррозия, действие внешних температурных факторов или облучения и др. Время работы до отказа в этом случае называется сроком службы до отказа.
Таблица 5.1. Оценка длительности эксплуатации изделия
|
Исчисление времени работы |
Время работы до отказа (случайная величина) |
Регламентированное время работы изделия (детерминированная величина) |
|
В отработанных часах (наработка) |
Т – наработка до отказа |
Тр – ресурс |
|
В календарных часах (время работы) |
Т – срок службы до отказа |
Тсл – срок службы |
Однако для большинства машин и их механизмов основное значение для оценки потери работоспособности имеет не календарное время, а продолжительность работы изделия или соответствующий ей объем выполненной работы (число циклов, путь, производительность и т.п.). Время работы изделия до отказа, выраженное в часах, называется в этом случае наработкой до отказа.
Изделие или его элемент характеризуются, как правило, не одним, а несколькими выходными параметрами. Срок службы или наработка изделия до отказа – это время достижения предельного значения любым из его выходных параметров. Длительность работы изделия по тем или иным причинам (необходимость ремонта, возрастание опасности дальнейшей эксплуатации) может быть регламентирована.
Наработка или срок службы до предельного регламентированного состояния называется соответственно ресурсом или допустимым сроком службы.
Надежность – обобщенное (сложное) свойство, которое объединяет такие свойства, как безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность.
Безотказностью называется свойство системы сохранять работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов на ремонт и техническое обслуживание.
Долговечностью называется свойство системы сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами на техническое обслуживание и ремонт.
Таким образом, надежность изделия определяется его безотказностью и долговечностью. Первое из них ра
Сохраняемостью называется свойство изделия сохранять эксплуатационные показатели (выходные параметры) в течение и после срока хранения и транспортирования изделия в условиях, оговоренных в технической документации.
Ремонтопригодностью называется свойство системы, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению неисправностей в системе путем проведения технического обслуживания и ремонта.
В понятие надежности технической системы объединяется комплекс показателей, характеризующих возможность функционирования этой системы во времени в условиях воздействия на нее потока внешних и внутренних факторов.
В процессе эксплуатации техническая система может находиться в различных состояниях:
Переход технической системы из работоспособного в неисправное состояние называют отказом. В основе отказа могут лежать следующие причины:
В любом случае отказ наступает, когда какой-либо параметр (дефект) x системы достигает своего предельного состояния xmax. Момент наступления этого события носит случайный характер и подчиняется закону распределения вероятности Время непрерывной работы системы называют наработкой, время наступления отказа – наработкой на отказ.
Вероятность безотказной работы системы до момента tmax при фиксированном уровне дефекта x
.
Отказы классифицируют по следующим признакам (рис. 5.1):
1. По характеру возникновения и протекания процессов, приводящих к отказу, их разделяют на постепенные (износные) и внезапные.
Постепенные отказы возникают в результате протекания того или иного процесса старения, ухудшающего параметры изделия.
Внезапные отказы возникают в результате сочетания неблагоприятных факторов и случайных внешних воздействий, превышающих возможности изделия к их восприятию. Для внезапных отказов вероятность их возникновения не зависит от длительности предыдущей наработки.
В реальных условиях эксплуатации машин оба вида отказов проявляются одновременно (сложные отказы). Так, например: отказ автомобильной покрышки может быть как от износа в результате длительной эксплуатации (постепенный отказ), так и от прокола (внезапный отказ).
Все постепенные, внезапные и сложные отказы, вызванные неблагоприятным сочетанием факторов, если последние находятся в пределах, указанных в технических условиях на эксплуатацию считают допустимыми.
Недопустимыми считают отказы, связанные с нарушением условий производства и эксплуатации:
2. По характеру проявления и последствиям отказы разделяют на параметрические и функциональные (катастрофические).
Параметрический отказ приводит к выходу параметров свойств изделия за допустимые пределы. Такие отказы как нарушение точности, снижение максимальной скорости, падение КПД и т.п. не ограничивают возможности дальнейшего функционирования машины. Однако оно становится неработоспособным с точки зрения установленных технических требований.
Отказ функционирования приводит к тому, что машина (система) не может выполнять своих функций (отказ двигателя, клапанов топливной системы, разрушение элементов конструкции, разгерметизация и т. п.).
В сложных технических системах параметрический отказ может привести к отказу функционирования.
3. По степени влияния на работоспособность отказы подразделяются на полные и неполные (частичные).
При полном отказе систему нельзя использовать либо до устранения причины отказа (ремонтопригодное изделие), либо в связи с невозможностью и нецелесообразностью использования (неремонтопригодное изделие).
Частичный отказ приводит к ухудшению ряда параметров элементов конструкции и невозможности выполнения “программы – максимум”. Выполняется только одна из “программ – минимум”.
4. По времени существования отказы подразделяют на устойчивые, временные и перемежающиеся.
Устойчивые отказы устраняются только в процессе ремонта, регулировки или замены отказавшего элемента. Временные отказы самопроизвольно исчезают без вмешательства, так как устраняется их причина (чаще всего отклонение режима или условий работы от нормы). Перемежающиеся отказы – разновидность временных, многократно повторяющихся.
5. Как случайные события отказы могут быть независимыми и зависимыми. В первом случае отказ элемента не является следствием или причиной отказа других элементов. Во втором - вероятность появления отказов элементов зависит от отказов других элементов.
Один и тот же отказ одновременно может быть: постепенным, параметрическим, допустимым, потенциальным, частичным, временным, независимым. Схема взаимоотношения понятий представлена на рис.5.1.
В полное наименование отказа войдут все наименования, соответствующие движению по стрелкам сверху вниз.
В соответствии с приведенной классификацией отказов всю теорию надежности подразделяют на два самостоятельных раздела: параметрическую надежность, связанную с ухудшением характеристик изделия из-за ухудшения характеристик элементов (но не поломки их или выхода из строя при полном отказе) и надежность, связанную с полными отказами системы.
Параметрическая надежность – основной объект рассмотрения технологической теории и практики, поскольку она определяет состояние отдельных элементов и изделия в целом.
Для каждого вида отказа может быть представлена своя модель его формирования. Например на рис.5.2 в координатах “величина дефекта Х - время наработки t” представлена модель постепенных отказов.
В начале отсчета наработки имеет место рассеяние начальных показателей Х исследуемой совокупности машин вокруг математического ожидания Mx с некоторой дисперсией Dx. Процессы повреждения с увеличением наработки приводят к монотонному изменению (возрастанию) параметра X каждого изделия от начального состояния Хн к предельному состоянию Хmаx . В результате по мере наработки монотонно увеличивается математическое ожидание Mx, а также монотонно возрастают значения нижней и верхней границ поля рассеяния параметров Х. В каждый момент времени t рассеяние параметров Х совокупности машин может быть описано функцией распределения вероятности.
Отказ машины возникает, когда параметр X изделия достигает предельного состояния Xmах. Количество отказавших изделий к моменту t будет пропорционально заштрихованной площади от распределения на интервале значений Xmax X .
Можно определить вероятность безотказной работы P(t) как:
(5.1)
.
Существует показатель λ, называемый интенсивностью отказов и определяемый по формуле:
, (5.2)
как отношение вероятности появления отказа в единицу времени в момент t к вероятности P(t) безотказной работы системы к этому моменту времени. Для неремонтопригодных систем наблюдается общая тенденция возрастания интенсивность отказов во времени.
Для ремонтопригодных систем высокой надежности характерна повышенная интенсивность отказов в начале периода эксплуатации системы (периода приработки), слабое изменение интенсивности отказов в период нормальной эксплуатации и резкий рост интенсивности отказов в результате значительного износа элементов системы в период снятия изделия с эксплуатации. Характер изменения интенсивности отказов для сложных технических систем будет иметь вид, представленный на рис. 5.3.
.
Модель формирования внезапных отказов должна учитывать, что величина дефекта Х в эксплуатируемых системах является случайной величиной, изменяющейся во времени t. Функция распределения этой величины имеет вид
.
Отказ наступает, когда уровень внешнего фактора q превысит уровень отказа qотк, соответствующий случайной величине дефекта Х, т.е.
Уровень фактора q является случайной функцией времени t (рис.5.4).
Рис. 5.4. Случайный характер изменения внешнего фактора q:
а) изменение фактора q во времени; б) распределение плотности вероятности фактора q.
Поэтому момент наступления внезапного отказа является случайной величиной.
Однако зависимость q(t) может быть статистически обработана. В результате получается функция распределения фактора q:
Тогда вероятность безотказной работы можно оценить как
.
Опыт показывает, что для сложных технических систем вероятность безотказной работы удовлетворительно описывается зависимостью
.
Другим примером моделей является модель восстановления работоспособности изделия, изображенная на рис. 5.5 в координатах “Вероятность работоспособности изделия – время наработки”.
Восстановление работоспособности возможно только у ремонтопригодных изделий. В процессе наработки вероятность безотказной работы падает. Если за время Т0 отказ не произошел, то с помощью технического обслуживания (ремонта) можно путем профилактической замены элементов или настройки системы возвратить (восстановить) уровень вероятности безотказной работы (рис. 5.5) за среднее время обслуживания tона период времени T0 до последующего технического обслуживания.
Если отказ произошел на интервале T0, то за среднее время восстановления отказа t0 может быть восстановлен уровень вероятности безотказной работы системы до заданной величины. Периодически повторяющиеся планово-предупредительные меры и восстановление отказов позволяют поддерживать работоспособность системы в заданном интервале значений.
Рис. 5.5. Модель восстановления работоспособности
Надежность неремонтопригодных изделий можно оценить с помощью двух групп показателей, характеризующих их безотказность и сохраняемость. В частности, безотказность изделия характеризуется вероятностью безотказной работы в заданном интервале времени (наработки), в течение которого отказ не произойдет
,
где p(t) – плотность вероятности отказа;
– заданный интервал времени (наработки) системы;
T – случайное время наступления первого отказа.
Вероятность формирования в системе отказа к моменту t =
.
Интенсивность отказов (t) характеризует вероятность отказа изделия в единицу времени после времени функционирования технической системы t при условии, что к этому времени отказ не возник. Определяется интенсивность отказов формулой (5.2). Величина в вышеприведенных соотношениях для величин P и F для неремонтопригодных изделий может представлять собой максимально необходимое время функционирования системы (например, время полета ракеты к цели).
Среднее время безотказной работы представляет собой ожидаемое время исправной работы системы до первого отказа и определяется выражением:
.
Сохраняемость системы (изделия) определяется такими параметрами, как:
Для ремонтопригодных изделий показатели безотказности имеют несколько иной смысл:
Сохраняемость ремонтопригодных изделий характеризуется теми же показателями, что и неремонтопригодных.
Ремонтопригодность изделий характеризуется:
Показатели долговечности изделия отражают ее наработку до предельного состояния, недопустимого по техническим условиям, и календарную продолжительность эксплуатации изделия до момента возникновения предельного состояния.
Ресурс как время непосредственной работы изделия оценивается такими частными показателями, как: назначенный ресурс, средний ресурс, ресурс до первого ремонта, межремонтный ресурс.
Время эксплуатации изделия с учетом его простоев, затрат времени на техническое обслуживание и т.д. называется сроком службы и характеризуется такими показателями, как: средний срок службы, срок службы до ремонта и т.п.
Требования к вероятности безотказной работы ракетно-космической техники достигают высоких уровней 0,8…0,9999 в зависимости от стоимости и важности задачи, решаемой ракетной системой. Ресурс работы отдельных блоков ракет-носителей ограничен десятками минут, а у космических аппаратов достигает нескольких лет. Средний срок сохранности для ракет - носителей оборонного назначения достигает 20-30 лет.
Литература