Шиение безотказности на этапе проектирования ктруирования

Шбеспечение безотказности

I"

кзотказность работы машин и другой техники обеспечивает-

иециальными методами на всех этапах жизненного цикла ш1Я. Существует значительное количество разнообразных»бов повышения безотказности техники, Поэтому практи-щ задача заключается в рациональном подборе и примене-рйтимальных способов и средств повышения надежности с~ тл их технических и экономических показателей. I¹'¹

Обеспечение безотказности в процессе производства технических изделий

К числу требований, обеспечивающих эксплуатационную на-дежность деталей при производстве их заготовок (в заготови-тельном производстве), относятся:

• обеспечение качества материала заготовки и соответствие его заданному конструктором по химическому составу и физико-механическим свойствам;

• обеспечение качества заготовок (отливок, поковок, штампо-вок, заготовок из проката) в отношении достижения одно-родности материала и отсутствия поверхностных и внутрен-нихдефектов (рыхлости, включений, раковин, трещин и др.);

• обеспечение отсутствия внутренних напряжений.

Заготовки подвергают механической обработке с целью полу-чения заданных форм и размеров деталей, а также для достижения необходимой чистоты поверхностей. Существует много методов, способов и специальных режимов механической обработки де-талей машин, которые благоприятно влияют на надежность их работы. 150

ртоды термической обработки металлических и других мате-рв обеспечивают повышение прочностных, физико-хими-мх и других свойств, предопределяющих собой такое ком-Шое свойство машин, как надежность их работы. рчество сборки машин цз деталей, узлов и отдельных уст- ш, также существенно влияет на безотказность и долговеч-р машин. В процессе сборки неизбежны пригоночные ЛЫ, в процессе которых могут возникать перекосы, смеще-щпряженных деталей, повреждения поверхностей и другие кгы. Механизация и автоматизация сборочных работ не ко облегчает труд сборщиков и увеличивает их производи-Црсть, но и повышает качество сборки, что способствует юкению большей брзотказности и долговечности работы рн. С повышением требований к надежности в целом уве-Шается роль контроля качества при производстве изделий и Шонте. Контроль имеет целью проверить соответствие ка-ю изготовляемых или ремонтируемых изделий заданному ию. Для этого контроль необходимо осуществлять на всех Ш. производства, начиная с выполнения чертежей, далее при твлении заготовок и их обработке, при сборке изделия, а И'в процессе его эксплуатации.

РПоказатели сохраняемости

Шоказатели сохраняемости характеризуют свойство техни-

•0ГО изделия сохранять исправное и работоспособное состоя-№} течение и после хранения и (или) транспортирования. Жпоказателям сохраняемости относятся:

•Г — средний срок сохраняемости;

ИГ: — гамма-процентный срок сохраняемости;

РГ „ — назначенный срок хранения;

ИГ _у — установленный срок сохраняемости.

Щаименования и определения терминов показателей сохра-

шости для технических изделий даны в ГОСТ 27.002-89

•дежность в технике. Термины и оцределения". Кроком сохраняемости называется календарная продол^си-рность хранения и (или) транспортирования изделия в за-рых условиях, в течение и после которой значения показате-Шкачества остаются в установленных пределах. Показатели ианяемости оценивают статистическими методами по резуль-|м испытаний.

Г

Средним сроком сохраняемости технического изделия называ-

ется математическое ожвдание егй срока сохраняемости. Сред-ний срок сохраняемости определяют по формуле:

где Т_с — срок сохраняемости /-го изделия.

Гамма-процентный срок сохраняемости — календарная про-должительность хранения и (или) транспортирования изделия, в течение и после которой показатели безотказности, долговеч-ности и ремонтопригодности изделия не выйдут за установленные пределы с вероятностью у, выраженной в процентах.

Как и гамма-процентный ресурс, значение гамма-процент-ного 9Р,9^§ ^храняемости определяют, используя выражение:

Назначенный срок хранения — календарная продолжитель-ность хранения в заданных условиях, по истечении которой при-менение изделия по назначению не допускается независимо от его технического состояния.

Установленным сроком сохраняемости называют технико-эко-номически обоснованный (или заданный) срок хранения, обес-печйваемый конструкцией и эксплуатацией, в пределах которого показатели безотказности, долговечности и ремонтопригодности остаются теми же, какими они быяи у иэделия до начала его хранения и (или) транспортирования.

Шбеспечение безотказности

I"

кзотказность работы машин и другой техники обеспечивает-

иециальными методами на всех этапах жизненного цикла ш1Я. Существует значительное количество разнообразных»бов повышения безотказности техники, Поэтому практи-щ задача заключается в рациональном подборе и примене-рйтимальных способов и средств повышения надежности с~ тл их технических и экономических показателей. I¹'¹

шиение безотказности на этапе проектирования ктруирования

Шзвестно, что уже при проектировании и конструировании рдывается та или иная безотказность изделия. При этом Вфуктор осуществляет расчеты характеристик безотказности Йрогнозирования работоспособности и обоснования пред-

•мого к изготовлению варианта изделия, для выбора ком-иующих технических средств, для осуществления способов

•Йирования элементов с недостаточной ^адежностью и т.д.

I.,. • 143

Многочисленные характеристики безотказности сложных техничейких систем, какими являются, например, машины, обьщ-но определяются поэлементно, а потом уже синтезируются в итоговый результат. Для определения характеристик безотказ-ности работы элементов машины, т.е. ее деталей, все детали машин подразделяются на три фуппы: детали тяжело нагружен-ные и изнашивающиеся (группа А), детали основные (группа Б) и детали вспомогательные (группа В).

К деталям группы А относятся те детали, рабочая функция которых состоит в передаче мощностей или в том, чтобы слу-жить опорами для движущихся нагруженных деталей. Их назы-вают также активными. Эти дётали в процессе работы машин подвергаются износу. Вследствие износа происходит изменение размеров, формы и качества рабочих повёрхностей. К деталям этой группы можно отнести различные подшипники, детали зуб-чатых, червячных и фрикционных передач, валы, оси, детали механизмов движения и т.п.

Детали группы Б обеспечивают правильное расположение деталей первой группы и их взаимодействие. Эти детали могут бЬггь названы также основными или опорными. К деталям этой фуппы относятся станины, фундаментальные рамы, блоки ци-линдров, кронштейны, стойки и т.д.

К деталям группы В относятся различные детали вспомога-тельного назначения, служащие для управления машиной и обес-печения нормальной работы деталей первых двух групп.

Безотказность технических изделий зависит от правильного выбора материала для отдельных ее деталей. Назначение мате-риала для деталей машин зависит от ряда факторов, а именно: от величины и характера силовых нагрузок, от химической ак-тивности среды, в которой работают детали, от рода и вида тре-ния поверхностей сопряженно работающих деталей. При этом приходится учйтывать особенности каждого из рассматриваемых материалов, в частности: изменение физико-механических свойств при работе в условиях низких или высоких температур; усталость и ползучесть (деформируемость при эксплуатации); старение материала и многое другое. При выборе материала су-щественное значение имеют его технологичность обработки и стоимость, так как достижение нёобходимой надежности не до-лжно обходиться слишком дорого.

Конструкция изделия, например, машины должна быть по возможности наиболее простой, т.е. она должна состоять из на-именьшего количества деталей. Это повышает безотказность

•жы. Конструкция машины должна быть технологичной для Бри разборки. Одна должна обеспечивать доступ к отдель-Ьэлементам для наблюдения за их работой и для обслужи-

•ррмазка, регулировка, замена, ремонт). Технологичность

•Вукции способствует повышейию качества сборки, влияет юактеристики надежности работы машины. р этапе проектирования и конструирования часто решается рис необходимости использования метода резервирования вды. Резервированием называют эффективный способ повыше-Ююртказности путем параллельного включения в систему шы резервных (дополнительных) элементов, способных в спучае к.основного элемента выполнять его функции.. |Ы5щем случае надежность, так называемой неизбыточной Ш^ш машины, т.е. системы, для исправной работы которой

•рдима исправность всех входящих в нее элементов, опреде-р как произведение вероятностей безотказной работы всех

•нтов системы. Конструкция такой технической системы тг из последовательно соединенных элементов (рис. 19).

К 19. Схема последовательного соединения элементов системы

Вбэтому вероятность безотказной работад машины как систе-Клементы которой соединены (в надежностном смысле) ЮДовательно, имеет вид:

ВК*) — вероягаостьбезотказнойработы/-грэлеменгазанаработку времени

ю' *•' ' '
р — количество элементов в системс.

Йз соотношения (6.13) следует, что утрата работоспособности рйго элемента последовательной системы приводит к отказу ВСистемы. Надежность изделия с последовательньш соедине-н его функциональных элементов относительно, невелика.

«'!'

Г ¹⁴⁵

Пусть, например, изделие с последовательИо соединенными четыры^_я элементами имеет показатели безотказноста работы первого, второго ц четвертого элементов, равные 0,9, а у третьсго — 0,5. Общая безотказ-ность такого изделия в соответствии с формулой (6.13) равна 0,36.

Элементы последовательных систем могут обладать различ-ной безотказностью. Надежность такой системы всегда меньщ_е надежности самого ненадежного элемента. Оснрвным конструк-тивным способом устранения "елабых" мест в технических сис-темах с последовательным'взаимодействием их элементов явля-ется резервирование элементов с недостаточной надежностью.

Методы резервирования: общее, раздельное (поэлементное) и комбинированное (смешанное) резервирование.

Общим называется такое резервирование, при котором па-раллельно подключаются идентичные системы. При этом одна из систем, включающаяся первой, считается основной, а осталь-ные — резервными. На рис. 20, а показана схема общего резер-вирования.

Рис. 20. Схема рбщего (а) и раздельного (б) резервирования

Раздельным (поэлементным) резервированием является ре-зервирование отдельных элементов системы изделия (рис. 20, б) в я звеньев.

Рри комбинированном резервировании в системе элементов из-•Я применяется как общее, так и раздельное резервирование. Ртношение числа резервных цепей (или элементов) к числу рвных называется кратностью резервирования. В случае общего резервирования вероятность отказау'-й па-рельной цепи определяется так:

кш» Щри одинаковости параллельных цепей, когда

Гак как в общей резервной системе (т+1) цепей, а отказ |емы происходит при отказах всех цепей, то вероятность от-I такой резервированной системы

•учаем, что итоговая вероятность отказов системы с общим

•рвированием такова:

Р случае, ковда все элементы системы равнонадежны, Р(()=Р((),

рЗероятность же безотказной работы системы изделия с об-р резервированием записывается в виде следующего нера-Ётва:

Вероятность безотказной работы такого звена записывается в форме слбдующего уравнения:

Рассмотрим теперь соотношения вероятностей отказов и без-отказной работы изделия за время { в случае раздельного резер. вирования элементов его системы. При раздельном (поэлемент-ном) резервировании каждый элемент системы фактически со~ стоит из (/я+1) одинаковых и параллельно соединенных в звенья элементов. Значит, запись вероятности отказа раздельно резер-вированного элемента системы, т.е. звена, будет йметь вид:

Все раздельно резервировднные элементы, став звеньйми, со-единены в системе последовательно, поэтому вероятность без-отказной работы такого изделия следует записать так:

Если все элементы системы равнонадежны, то вероятность безотказной работы изделия с полным раздельным резервиро-ванием имеет следующее математическое выражение:

Основными способами включения резервных элементов (объ-ектов или цепей) при отказе основных являются:

1. Постоянное резервирование, при котором резервные едини-цы (элементы, цепи или участки цепей) подключаются па-раллельно основным в течение всего времени работы (в "го-рячем" резерве) и находятся в одинаковом с ним режиме.

2. Резервирование замещением, при котором резервные еди-ницы замещают основные только после отказа основных. При этом резервные единицы могут находиться в двух режимах работы: в ненагруженном (в "холодном" резер-ве), при котором резервная единица не включена; в облег-четом (в "теплом" резерве), при котором резервные эле-менты включены, но не несут нагрузки и поэтому их на-дежность в резервном состоянии выше, чем в рабочем.

к

Иыбор метода резервирования и способа включения резерв-

|Ьлементов в систему всегда имеет некоторые ограничения, рМер, по весу, габаритам, стоимости, по потребляемой мощ-|й и т.д. Поэтому резервирование осуществляют так, чтобы течитъ необходимое значение критерия надежности при имею- тя ограничениях на общие характериотики изделия (системы). рри проектировании машины сначала создается ее струк-|ая схема, в которой предусматриваются соответствующие ИЙнения отдельных элементов машины. Обычно структур-вюсема любой машины достаточно сложна и состоит как из юдовательных, так и из параллельных (резервированных) гонений ее частей. Такая структурная схема машины назы-ря комбинированной. Расчет безотказности такой комбини-шной системы осуществляют совместным использованием Вений (6.13), (6.14) и(или) (6.19). Ириведем простейший пример расчета вероятностей безот-

•ой работы автомобиля со структурной схемой, изображен-ша рис. 21, и с вероятностью безотказной работы каждого ее

•Ьнта, равной 0,9.

| Рис. 21. Структурная схема автомобиля

Р данной задаче структурная схема автомобиля представлена КЯлельно соединенными (зарезервированными) элементами р)_у которые представляют собой блок четырехцилиндрового иггеля внутреннего сгорания. Далее последовательно соеди-ш два элемента (5 и 6) трансмиссии, а потом включены два |8врвированных элемента, соответствующие двум независимым

^ 149

системам торможения (ручной и ножной тормоза). Эти элементы обозначены цифрами 7и 8. Последний (9) последовательно вклю-ченный элемент соответствует, например, системе питания м_а_ шины.

Для определения вероятности безотказной работы автомо-биля в целом надо воспользоваться уравнениями (6.13) и (6.19). Общее уравнение и его решение для условий данной задачи имеет вид:

Видно, что итоговая безотказность работы машины всегда меньше безотказности ее составных частей.

Расчетное значение вероятности безотказной работы за неко-торый промежуток времени /, полученное на этапе проектиро-вания машины, впоследствии экспериментально определяется и уточняется натурными испытаниями или наблюдениями при эксплуатации.