Основы теории надежности и диагностика

Негосударственное частное образовательное учреждение

Высшего профессионального  образования

«Курский  автодорожный институт»

 

 

 

Кафедра «Организация перевозок и безопасность движения»

 

 

 

 

 

 

Основы теории надежности и диагностика

 

 

Конспект лекций

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курск 2011

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

1. ВВОДНАЯ…………………………………………………………….….4

1.1. Проблемы  надежности современных машин……………………..4

1.2. Экономическая  характеристика надежности…………………….6

1.3. Система  стандартов (НТД) по надежности………………………..8

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ………………….10

2.1. Основные  понятия теории надежности………………………….…10

2.2. Процесс  потери машинной работоспособности…………………...15

2.3.Критерии надежности…………………………………………………17

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ…………………..18

3.1. Основные понятия теории вероятностей, используемые в

теории надежности…………………………………………………………18

3.2. Нормальный закон  распределения и его параметры………….….22

3.3. Логнормальный закон  распределения и его параметры…………25

3.4. Вейбулловский закон  распределения и его параметры…………..26

3.5. Экспоненциальный закон распределения и его параметры……..27

4. ВИДЫ, ПРИЧИНЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ  ОТКАЗОВ……………….28

4.1. Отказы……………………………………………………………..……28

4.2. Причины потери машинной  работоспособности……………….….31

4.3. Классификация  отказов…………………………………………….…33

5. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ …………………………….34

5.1. Физика отказов…………………………………………………………34

5.1.1. Изменение свойств и состояния материалов как причина

потери изделием работоспособности……………………………………...34

5.1.2.  Три уровня изучения поведения материалов…………………………..35

5.2. Износ………………………………………………………………………36

5.2.1. Изменение технического состояния  автомобилей в процессе 

эксплуатации…………………………………………………………………...36

5.2.2. Основные  положения по трению и изнашиванию…………………..…36

5.2.3. Виды изнашивания………………………………………………………..38

5.3. Методы количественной  оценки износа деталей автомобиля…….…39

6. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ 

АВТОМОБИЛЕЙ…………………………………………………………….44

6.1. Влияние конструктивно-технологических  факторов на 

надежность автомобиля……………………………………………………44

6.1.1. Конструктивные  факторы…………………………………………..44

6.1.2. Технологические  факторы……………………………………………45

6.2. Влияние  качества эксплуатационных материалов  на 

надежность  автомобиля……………………………………………………46

6.2.1. Масла,  применяемые для смазки двигателей……………………..…47

6.2.2. Трансмиссионные  масла…………………………………………...….48

6.2.3. Консистентные  смазки…………………………………………..…..48

6.2.4. Топливо……………………………………………………………….….49

6.2.5. Вода и охлаждающие жидкости………………………………………50

6.3. Влияние  условий эксплуатации на надежность автомобиля……50

6.3.1. Дорожные  условия……………………………………………………50

6.3.2. Климатические условия…………………………………………….…..51

6.3.3. Транспортные  условия и режим использования  автомобиля……..52

6.4. Влияние  уровня технической эксплуатации  на надежность 

автомобиля…………………………………………………………………..53

6.4.1. Качество вождения………………………………………………..….53

6.4.2. Техническое обслуживание автомобиля…………………………….53

6.4.3. Ремонт  автомобиля…………………………………………………..54

6.4.4. Хранение  автомобиля…………………………………………………55

7. НАДЕЖНОСТЬ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ …………………………….…..55

7.1. Сложная система и  ее характеристики……………………………..55

7.2. Элементы сложной  системы……………………………………….…56

7.3. Расчет схемной надежности  сложных систем……………………...58

7.3.1. Расчет надежности  систем по надежности элементов……….…58

8. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ

(ИСПЫТАНИЯ НА НАДЕЖНОСТЬ)………………………………………60

8.1. Методы оценки надежности…………………………………….….…60

8.2. План и  программа испытаний………………………………………..…63

8.3. Определение  объема испытаний……………………………………..…64

8.4. Требования  к информации о результатах испытаний……………..…65

9. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ  И МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ……….……66

9.1. Цель испытаний  на надежность……………………………………...…66

9.2. Виды испытаний  на надежность………………………………….….…67

9.3. Объект испытания  на надежность…………………………………...…68

9.4. Характеристики, оцениваемые при испытании на  надежность…….69

10. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ……………………………………….…70

10. 1. Испытания стойкости  материалов ………………………………..70

10.2. Стендовые испытания  узлов и механизмов машин…………...…71

10.3. Ускоренные испытания  на надежность…………………………...72

10.3.1. Сокращенные  испытания……………………………………………73

10.3.2. Форсированные испытания…………………………………………75

10.3.3. Ужесточение факторов  внешней среды………………………..…76

11. СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ  И ЕЕ 

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ………………………………………………..…77

11.1. Общие понятия…………………………………………………….…77

11.2. Постановка  диагноза…………………………………………………79

11.3. Методы  диагностики…………………………………………………80

 

 

 

 

 

 

 

1. ВВОДНАЯ.

1.1. Проблемы  надежности современных машин

Надежностью машин называется такое качество, которое позволяет им нормально функционировать в определенных условиях в течение планового межремонтного периода эксплуатации.

Нормальное  функционирование в этом случае означает работу без отказов при изменении условий эксплуатации в широких пределах, соответствующих характеристикам машин, и при нормальном соблюдении технических уходов и планово-предупредительных ремонтов.

Проблема  надежности – комплексная. Она вторгается в сферы производства и эксплуатации машин, для ее решения привлекаются различные отрасли знания, она требует принятия новых организационно-технических решений.

При проектировании и расчете машины закладывается ее надежность. Она зависит от конструкции машины и ее узлов ,применяемых материалов, методов защиты от различных вредных воздействий, системы смазки, приспособленности к ремонту и обслуживанию и других конструктивных особенностей.

При изготовлении машины обеспечивается ее надежность. Она зависит от качества изготовленных деталей, методов контроля выпускаемой продукции, возможностей управления ходом технологического процесса, от качества сборки машины и ее узлов, методов испытания готовой продукции и других показателей технологического процесса.

При эксплуатации машины реализуется ее надежность. Показатели безотказности и долговечности проявляются только в процессе использования машины и зависят от методов и условий эксплуатации машины, применяемой системы ее ремонта, методов технического обслуживания, режимов работы и других эксплуатационных факторов.

Наука о надежности изучает закономерности изменения показателей качества, технических устройств и систем и на основании этого разрабатывает методы, обеспечивающие с наименьшей затратой времени и средств необходимую продолжительность и безотказность их работы.

Эта наука  на основании прогноза поведения системы разрабатывает теорию принятия решений для обеспечения требуемого уровня надежности.

Специфическими  особенностями вопросов надежности являются:

1) фактор времени,  поскольку оценивается изменение  начальных параметров в процессе эксплуатации машины;

2) прогнозирование  поведения объекта с точки  зрения сохранения его выходных параметров (показателей качества).

Основная  трудность при оценке надежности машин заключается в использовании таких методов расчета и источников информации об изменении работоспособности машины, которые позволили бы прогнозировать поведение машины в различных условиях эксплуатации.

Проблема  надежности связана, в первую очередь, именно с прогнозом, так как констатация  того или иного уровня надежности для машины, уже отработавшей свой ресурс, имеет весьма малую ценность. Особенно на ранних стадиях создания машины – при ее проектировании или при наличии опытного образца – необходимо дать оценку надежности в предполагаемых условиях эксплуатации.

В процессе износа машин их характеристики ухудшаются, что приводит к снижению допустимых пределов загрузки и к понижению надежности. Поэтому машиностроители закладывают в новые конструкции резервы надежности в виде запасов мощности, производительности, крутящих моментов, тяговых усилий, износостойкости, прочности, долговечности, устойчивости и пр. Эксплуатационники же обеспечивают такие условия, при которых колебания нагрузки не могут выходить за пределы, гарантированные заводом-изготовителем.

Величины  указанных резервов и условия  их использования должны приниматься с учетом экономической целесообразности. В связи с этим машины должны обладать не максимально высокой надежностью, а оптимальной надежностью, т. е. экономически оправданной и технически целесообразной. Поэтому, кроме запасов прочности и других резервов, для повышения надежности применяют средства защиты от перегрузок: предельные муфты, предохранительные шпильки, максимальные автоматы и т. п. При сравнении различных вариантов достижения требуемого уровня надежности обычно исходят из условия получения наибольшего экономического эффекта с учетом затрат в сферах производства и эксплуатации машины и того положительного эффекта, который дает использование машины по назначению.

В общем случае изменение  во времени суммарного экономического эффекта при эксплуатации машины (рис. 1) слагается под влиянием двух основных факторов: затраты на изготовление новой машины (Q_н), на эксплуатацию, включая техническое обслуживание, (Q_э), с одной стороны, с другой стороны – положительный экономический эффект от работы машины (Q_п), например, при перевозке грузов для транспортных машин. Изменение Q_э в функции времени имеет тенденцию к возрастанию, так как старение отдельных элементов машины приводит к необходимости вкладывать все большие средства для восстановления утрачиваемых свойств.

Изменение Q_п во времени, наоборот, имеет тенденцию к уменьшению интенсивности роста, поскольку более частые простои машины в ремонте и техническом обслуживании снижают ее производительность.

1.2. Экономическая  характеристика надежности

Надежность машины определяет количество ее отказов и стоимость  мероприятий, направленных на их устранение. Чем выше надежность, тем меньше затрат будет в процессе эксплуатации машины, однако возрастает стоимость  ее изготовления. На рис. 2 приведена зависимость стоимости С затрат на разработку, изготовление и эксплуатацию изделий от надежности Р. Полная стоимость разработки, производства и эксплуатации машины выражается в следующем виде:

С = С_разр + С_пр + С_экспл, (1)

где С_разр – затраты на разработку, руб.; С_пр – затраты на производство, руб.; С_экспл – затраты, связанные с эксплуатацией, руб.

Из графика видно, что  существует экономически оптимальная  надежность Р_опт.

В качестве критерия экономической  эффективности может служить  показатель дохода С_тр определяемый разностью между доходами С_д от эксплуатации станка и расходами С, связанными с его созданием и эксплуатацией:

С_тр = С_д – С. (2)

Стоимость станка можно  определить по формуле

С_ст = С_разр + С_пр = С_разр + М + З + Д + Ц + О, (3)

где М – стоимость материала, руб.; З – основная производственная заработная плата, руб.; Д – дополнительная заработная плата, руб.; Ц – цеховые расходы, руб.; О – общезаводские расходы, руб.

Доходы от эксплуатации станка составляют

, (4)

где С' – отпускная цена детали (усредненная величина), руб.; Т_ср – средний ресурс станка, мин; t_обр – среднее время обработки одной заготовки, мин; i – среднее количество деталей, одновременно обрабатываемых на станке, шт.