Основы теории надежности и диагностика

При определении показателей надежности элементов и систем машин для  схемы внезапного отказа, описываемого экспоненциальным распределением, следует проверять случаи необычно малой наработки до отказа, которые вызываются производственными дефектами или применением нестандартных материалов.  Такие дефекты приводят к тому, что эти изделия оказываются не характерными для совокупности в целом, и такие отказы следует исключить из дальнейшего анализа. Несомненно, наилучшим способом, позволяющим определить, следует ли учитывать тот или иной конкретный отказ при оценке надежности, является инженерный анализ, дающий возможность интуитивной оценки случаев малой наработки до отказа можно использовать специальные статистические критерии.

4. ВИДЫ, ПРИЧИНЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ  ОТКАЗОВ

4.1. Отказы

Отказом работы машины называют частичную или полную утрату работоспособности, когда характеристики машины перестают отвечать требованиям.

По условию восстановления работоспособности машины и их элементы делятся на восстанавливаемые и невосстанавливаемые. К первым относятся такие машины, работа которых после отказа может быть возобновлена после проведения восстановительных работ. Ко вторым относятся такие системы, работа которых после отказа становится невозможной, ремонт нецелесообразным.

Автомобили относятся  к восстанавливаемым системам. Ввиду  этого, как правило, для них отказ  отдельных деталей или узлов не является признаком полной ненадежности предельным условием их долговечности. Достаточно заменить износившуюся деталь или отрегулировать узел, и машина становится работоспособной. То же можно сказать и про отказы, вызванные целым рядом причин, не связанных с качеством машины.

Возникновение отказов  происходит случайно, поэтому их учет производится по законам математической статистики и теории вероятностей.

Количественные оценки надежности (коэффициенты надежности, готовности к работе, наработки на отказ, вероятности безотказной работы) определяются по отказам:

Коэффициенты  надежности по отказам:

- износным

К_и = Т/(Т + Т_и), (59)

- аварийным

К_а = Т/(Т + Т_а), (60)

- техническим, зависящим  от конструктивного качества  и технического обслуживания

К_т..г. = Т/(Т + Т_и + Т_а), (61)

(этот коэффициент  называют также коэффициентом  технической готовности, изменяется  обычно в пределах 0,65 – 0,85);

- технологическим

К_т = Т + Т_т, (62)

- ошибочным

К_о = Т/(Т + Т_о), (63)

где Т – чистое (машинное время) в период наблюдения, ч; Т_и, Т_а, Т_т, Т_о - продолжительность устранения отказов (износного, аварийного, технологического и ошибочного) за соответствующий период наблюдений.

Коэффициент эксплуатационной надежности или коэффициент готовности равняется

К_.г. = Т/(Т + Т_и + Т_а + Т_т + Т_о) = Т/Т_э, (64)

Приведенные ормулы представляют также вероятность того, что в  любой момент машина не будет простаивать по той или иной причине.

Согласно этому надежность представляет вероятность того, что  машина будет работать безотказной в течение требуемого интервала времени или, что случайное время работы до отказа окажется больше требуемого интервала времени безотказной работы.

Коэффициент простоя по различным причинам будет

К_пр. = Т_и / Т_э + Т_а / Т_э + Т_т / Т_э + Т_о / Т_э , (65)

Потеря производительности машины за время простоев должна перекрываться во время работы на форсированных режимах. Для этого конструкторы предусматривают резервы.

Коэффициент резервов будет равен

К_р = Т_и / Т + Т_а / Т + Т_т / Т + Т_о / Т + 1, (66)

Зная возможные простои  по технологическим и ошибочным причинам, при конструировании машин предусматриваются резервы эксплуатационных характеристик, позволяющих форсировать работу в предельно допустимых случаях: принимаются запасы мощности, производительности, скорости и др.

Резервы конструктивные создаются запасами прочности и запасами на износы, повышением ремонтной технологичности (например, повторным использованием шестерен без ремонта при симметричной их конструкции) и другими конструктивными решениями.

Учет отказов и продолжительности  профилактических ремонтов (Т_пр) позволяет находить следующие два коэффициента, необходимые для оценки надежности машины:

- коэффициент технического использования

К_т..н. = Т/(Т + Т_и + Т_а + Т_пр) , (67)

- коэффициент вынужденного простоя на ремонте, характеризующий ремонтопригодность машина

К_{.в. пр.} = (Т_и + Т_а)/(Т + Т_и + Т_а). (68)

Одной из важных характеристик  надежности является частоты отказов, равная отношению числа отказов  к израсходованному ресурсу. Для  группы машин средняя частота отказов равна

W = n_i / Т_i, (69)

где n_i – общее количество отказов всех наблюдаемых машин за время Т; Т_i – количество наблюдаемых машин, умноженное на время наблюдения, или суммарный использованный ресурс машин.

Таким образом, мы определили поток отказов, что для отдельных  ремонтируемых машин отвечает среднему количеству отказов в единицу времени, для рассматриваемого момента.

Нередко учитывается также показатель наработки на отказ, представляющий отношение, обратное предыдущему и определяющее среднюю наработку между отказами:

Т_ср = 1 / W,   (70)

Каждая машина обладает уровнем надежности, зависящим от срока службы, качества ремонта и  др. Поэтому для определения уровня надежности необходимо группировать машины по их техническому состоянию к началу работы.

Если уровень надежности при полном отсутствии отказов принять за единицу, то в общем виде показатель уровня надежности будет равен

Н_у = 1 - W_t, (71)

Эта формула представляет приближенное выражение вероятности исправной работы машины

Р = е - W_t, (72)

где е – основание  натурального логарифма.

Для практических целей формула (5.13) дает вполне приемлемые результаты: при Н_у = 0,5 ошибка не превышает 20%.

При расчете частоты  отказов и уровня надежности предполагается, что отказавшая машина немедленно заменяется равноценной, и время на восстановление не принимается во внимание.

Уровень надежности рассчитывается относительно различных периодов, характерных для работы машины: межремонтных циклов (цикловой уровень надежности), летнего и зимнего сезона (годовой), периода в 1000 часов (испытательный) и т. д.

4.2. Причины потери машинной работоспособности

Те изменения, которые  происходят в течении времени  в любой машине и приводит к  потере ее работоспособности, связаны  с внешними и внутренними воздействиями, которым она подвергается. В процессе эксплуатации на машину действуют все виды энергии, что может привести к изменению параметров отдельных элементов, механизмов и машины  в целом. При этом имеется три основных источника воздействий:

а) действие энергии окружающей среды, включая человека, исполняющего функции оператора или ремонтника;

б) внутренние источники энергии, связанные как  с рабочими процессами, протекающими в машине, так и с работой отдельных механизмов машины;

в) потенциальная энергия, которая накоплена в материалах и деталях машины в процессе их изготовления (внутреннее напряжение в отливке, монтажные напряжения).

На работоспособность  машины в общем, виде оказывают влияние все виды энергии:

1) механическая энергия, которая возникает в машине во время рабочего процесса, передается по всем звеньям машины в процессе работы и воздействуют на нее в виде статических или динамических нагрузок от взаимодействия с внешней средой; может также возникнуть и как следствие тех затрат энергии, которые имели место при изготовлении частей машины (изменение объемов деталей после термической обработки, коробление при перераспределении внутренних напряжений и т. д.);

2) тепловая энергия, действующая на машину и ее части при колебаниях температуры окружающей среды, при осуществлении рабочего процесса (особенно сильные тепловые воздействия имеют место при работе двигателей и ряда технологических машин), при работе приводных механизмов, электротехнических и гидравлических устройств;

3) химическая энергия, также оказывает влияние на работу машины; например, воздух, который содержит влагу и агрессивные составляющие, может вызвать коррозию отдельных узлов машины. При работе машины в условиях агрессивных сред химические воздействия вызывают процессы, приводящие к разрушению отдельных элементов и узлов машины;

4) электромагнитная энергия, которая в виде радиоволн (электромагнитных колебаний) пронизывает все пространство вокруг машины и может оказывать влияние на работу электронной аппаратуры;

5) биологические факторы, которые также могут влиять на работоспособность машины; например, в тропических странах имеются микроорганизмы, которые не только разрушают некоторые виды пластмасс, но даже могут воздействовать на металл.

Таким образом, все виды энергии действуют на машину и  ее механизмы, вызывают в ней целый ряд нежелательных процессов, снижающих начальные параметры изделия. Эти процессы связаны, как правило, со сложными физико-химическими явлениями и приводят к различным видам повреждений (деформации, износу, коррозии и т. д.), что, в свою очередь, влечет за собой изменение выходных параметров изделия и может привести к отказу.

Эти взаимосвязи обычно выражают схемой, представленной на рис. 8.

Следует подчеркнуть, что процессы, приводящие к изменению начальных свойств изделия, протекают в материалах, из которых создано изделие, включая не только детали машины, но и смазку, топливо и все то, что участвует в рабочем процессе машины.

Следует иметь ввиду, что процесс, возникающий в результате действия того или иного вида энергии, может не сразу привести к повреждению (распространение трещины, повышенное трение, не приводящее до определенного момента к изменению выходных параметров, износ, не приводящий к потере КПД или точности и, т. д.).

Ряд процессов в машине приводит к отказам, которые связаны  не с выводом из строя отдельных деталей и сопряжений, а с ухудшением характеристик машины и выходом их за допустимые пределы (для транспортных машин такими основными параметрами являются скорость, безопасность, грузоподъемность и т. д.). Отдельные узлы машины тек же, как правило, имеют параметры, которые обусловлены функциональным назначением этих узлов и их ролью в данной машине (например, карбюратор автомобильного двигателя должен обеспечивать подачу оптимального состава смеси горючего и воздуха на всех режимах работы двигателя).

В этом случае говорят о параметрической надежности изделий. В сложных системах и машинах требования к выходным параметрам устанавливаются как для машины в целом, так и для отдельных ее элементов, узлов и агрегатов.

Последствия отказов  весьма разнообразны. Их можно разделить  на параметрические и отказы функционирования.

Отказ функционирования приводит к тому, что изделие не может выполнять своих функций. Например, в результате отказа редуктор не вращается и не передает движения, двигатель внутреннего сгорания не запускается, насос не подает масла и т. д.

Часто отказ функционирования связан с поломками или заклиниванием  элементов изделия.

Параметрический отказ приводит к выходу параметров (характеристик) изделия за допустимые пределы. Такие отказа, как падение КПД передачи, снижение максимальной скорости движений автомобиля ниже нормы и т. п., не ограничивают возможность дальнейшего функционирования изделия. Однако оно становится неработоспособным с точки зрения требований, установленных техническими нормативами.

Для современных машин и изделий наиболее характерны параметрические отказы. Это связано с высокими требованиями к выходным параметрам современных машин. Кроме того, в сложных машинах и системах параметрические отказы элементов могут привести к отказу функционирования. Поэтому параметрические отказы являются одним из основных объектов рассмотрения в теории надежности машин.

Стремление к недопущению  отказа при эксплуатации машины связано  с боязнью последствий отказа, которые могут быть самыми разнообразными- от незначительного материального ущерба до катастрофических. Эти последствия связаны с характером самого отказа и с такими факторами, как: время, необходимое для устранения отказа, возможность ремонта, продолжительность существования отказа (возможность самовосстановления работоспособности изделия), влияние данного отказа на вероятность возникновения других отказов и т. д.