Оцінка технологічної надійності при виготовленні високоточних деталей авіаційного виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

Каширіна Ольга Вікторівна

УДК 629.735.33.023-2.002:658.56

ОЦІНКА ТЕХНОЛОГІЧНОЇ НАДІЙНОСТІ ПРИ ВИГОТОВЛЕННІ ВИСОКОТОЧНИХ ДЕТАЛЕЙ АВІАЦІЙНОГО ВИРОБНИЦТВА

Спеціальність 05.07.02 - проектування, виробництво та

випробування літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2008

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Божко Валерій Павлович,

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут»,

завідувач кафедри.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Мовшович Олександр Якович,

науково-виробниче підприємство «Оснастка», м. Харків,

заступник директора з наукової роботи;

кандидат технічних наук , доцент

Богуслаєв Олександр В'ячеславович,

Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»,

доцент кафедри технології виробництва авіаційних двигунів.

Захист відбудеться “ 24 ” жовтня 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

Автореферат розісланий “18” вересня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.М. Застела

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зростання вимог до надійності виробів авіаційної техніки при одночасному ускладненні конструктивних рішень та збільшенні вартості в умовах жорсткого конкурентного середовища вимагає удосконалення та розробки нових технологічних методів для їх забезпечення.

Відомо, що конструктивне удосконалення літальних апаратів зумовлюється, насамперед, довговічністю і надійністю авіаційних двигунів і, в першу чергу, авіаційних агрегатів як найбільш складних і високоточних елементів. Оскільки параметри деталей формуються у технологічній системі, тобто під впливом технологічних зусиль, то надійність виробів у значній мірі визначається не тільки конструктивними, а й технологічними факторами. Аналіз експлуатаційних даних свідчить, що біля 70% всіх відмов авіаційної техніки у період гарантованого терміну служби зумовлені помилковими розробками як конструктивного, так і технологічного характеру, при цьому відзначимо, що попередження дефектів удесятеро дешевше їхнього подальшого усунення, тобто проблема має важливе економічне значення.

Тому забезпечення якості виробів як першочергової задачі виробників авіаційної техніки може бути вирішене у комплексному поєднанні конструктивно-технологічних засобів. При цьому стабільне забезпечення якості у процесі виробництва в першу чергу пов'язане з надійністю технологічної системи, тобто технологічною надійністю.

Незважаючи на велику кількість і різноманітність методів технологічної підготовки виробництва, зокрема і автоматизованих, до цього часу задача оцінки надійності технологічних процесів вирішена не в повній мірі та без урахування умов дискретно-нестабільних програм випуску, які характерні для сучасної авіаційної промисловості, тому вирішення зазначеної задачі набуває важливого значення і є актуальною.

Враховуючи викладене, була сформульована науково-технічна проблема дисертаційного дослідження, а саме - підвищення якості виробів авіаційного призначення шляхом розробки методів оцінки та управління технологічною надійністю.

Зв'язок роботи з науковими программами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано у рамках НДР, що здійснювались у 2000 - 2007 рр. у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” відповідно до планів науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України за держбюджетними темами Г604-36/00 (ДР 0100U002201), Г604-36/03 (ДР 0103U005067) та Г604-39/2006 (ДР 0106U001066).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення якості високоточних деталей авіаційного виробництва шляхом розробки методів оцінки та управління технологічною надійністю.

Мета роботи обумовлює такі задачі дослідження:

- оцінка вплив характеристик технологічної системи на показники якості деталей авіаційних агрегатів;

- порівняльний аналіз відомих методів обчислення показників надійності технологічної системи;

- проведення дослідження можливості використання розрахункових методів з підвищення ефективності прогнозування показників надійності технологічної системи на етапі виробництва;

- розробка методики оцінки надійності і економічної придатності технологічної системи;

- створення програмного забезпечення, яке відповідає алгоритмам розрахунку надійності технологічних систем;

- експериментальна оцінка надійності технологічної системи та впровадження результатів дослідження у виробництво.

Об'єктом дослідження є технологічна підготовка авіаційного виробництва в умовах дискретно- нестабільних програм випуску.

Предметом дослідження є закономірності формування параметрів надійності технологічних процесів та їх вплив на показники якості деталей, з метою подовження життєвого циклу авіаційних виробів.

Методи дослідження. Виконані дослідження базуються на загальних основах технології виробництва літальних апаратів, теорії надійності та теорії математичної статистики, математичної логіки, теорії ймовірності. Рішення поставлених задач реалізовано в комп'ютерному середовищі. Достовірність отриманих висновків, розроблених методик підтверджується результатами експериментальних досліджень і впровадженням на виробництві.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше запропонована і досліджена стосовно до технології виробництва літальних апаратів концепція оцінки надійності складних технологічних систем, що ґрунтується на теорії надійності з використанням теорії систем, що розвиваються, та з урахуванням особливостей розвитку кожної з цих систем;

- теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено механізм впливу технологічної обробки (точіння, шліфування, полірувально-зміцнюючої обробки) у вигляді рекурентних залежностей на параметри якості деталей (хвилястість, макровідхилення, шорсткість поверхні), що дозволило визначити та обґрунтувати шляхи підвищення технологічної надійності;

- запропонована математична модель, що дозволяє отримувати аналітичні залежності, що зв'язують параметри технологічного процесу з параметрами якості деталей, що дозволяє прогнозувати експлуатаційні параметри;

- розроблена методика визначення характеристик надійності при ускладненні структури системи, що значно спрощує схему обчислення у порівнянні з існуючими;

- модифіковано метод еквівалентних систем, що забезпечує більш високу точність, дозволяє суттєво скоротити час розрахунку в порівнянні з прямими розрахунками надійності системи в цілому.

Практичне значення одержаних результатів.

Проведені теоретичні і експериментальні дослідження дозволяють:

- прогнозувати забезпечення якості, що вимагається, на етапі технологічної підготовки до виробництва;

- зменшити терміни проектування технологічних процесів завдяки використовуванню типових технологічних рішень;

- виявляти і цілеспрямовано впливати на слабкі місця технологічного процесу (ТП) на стадії підготовки виробництва; скорочувати витрати на усунення дефектів і самих дефектів; зробити планованою якість і пов'язані з нею витрати.

Результати досліджень передано для використовування на ДП ХМЗ «ФЕД», ВАТ «Мотор Січ», ВАТ «ВАЗ», в навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ».

Особистий внесок здобувача. Усі результати дисертаційної роботи отримано особисто автором та за допомогою наукового керівника. В опублікованих роботах [2, 3, 4, 5] автору належать основні ідеї теоретичного дослідження, результати розрахунків надійності технологічних систем. При проведенні експериментальних і теоретичних досліджень [1, 6, 7, 8, 9] у дисертацію ввійшли тільки ті дослідження, що були проведені автором.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на Другій Міжнародній науково-технічній конференції “Нові технології, методи обробки та зміцнювання деталей енергетичних установок” (Запоріжжя-Алушта, 23-28 вересня 2002 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційні комп`ютерні технології в машинобудуванні” (Харків, 2002 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції «Динаміка наукових досліджень 2003», м. Дніпропетровськ (20-27 жовтня, 2003 р.); наукових семінарах кафедри та інформаційних систем Національного аерокосмічного університету «ХАІ» (2000 - 2006 рр.).

Публікації. Основні матеріали роботи опубліковані у 9 наукових виданнях: 4 статті у фахових виданнях ВАК, 3 праці є тезами доповідей, 2 звітами НДР.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатка. Викладена на 196 сторінках, що включають 180 сторінок основного тексту, містить 17 таблиць, 38 ілюстрацій, список використаних джерел з 130 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації і представлена загальна характеристика роботи.

У першому розділі розглянуті основні особливості побудови сучасних технологічних систем стосовно типових деталей авіаційного агрегатобудування. Аналіз техніко-економічних принципів проектування ТП, а також чинників, що впливають на показники якості виробів, дозволив визначити і обґрунтувати основні шляхи підвищення надійності ТП виготовлення деталей авіаційних агрегатів. З вимог, що пред'являються до проектованих процесів найбільшу актуальність в сучасних ринкових умовах має висока вірогідність виходу придатних виробів, що здатне забезпечити мінімізацію витрат на виробництво продукції.

Проблема мінімізації технологічної собівартості готового виробу розглядається як комплексна, її рішення включає взаємозв'язаний розгляд системи конструкторських і технологічних задач проектування. Розглянуто варіанти технологічної оптимізації, які мають на увазі взаємозв'язаний вибір варіанту виробничо-технічної реалізації виробу, номінальних значень його конструкторських параметрів і технологічної точності при заданих обмеженнях по критерію мінімальної технологічної собівартості виробу.

Розглянуто існуючі методи контролю на виробництві, а також вплив їх своєчасності на собівартість деталі. На основі аналізу складено класифікатор дефектів відхилень від конструкторської документації і способів їх перевірки.

Досліджено процес надійнісного розвитку технологічних систем і доведена можливість представлення будь-якої системи на етапі розробки як такої, що поелементно розвивається. Це дозволяє спростити аналіз їх надійності і дасть можливість підвищити точність розрахунків. Формулюються основні поняття і визначення систем, що розвиваються.

Проведено аналіз існуючих методів оцінки показників і характеристик надійності систем. В результаті аналізу встановлено, що існуючі методи обчислення показників надійності, являючись досить громіздкими, призначені для оцінки параметрів безвідмовності простих структур і далекі від об'єктивного рішення комплексних задач при синтезі складно організованих експлуатованих і перспективних систем. Крім того, для систем, що розвиваються, їх застосування недоцільне, оскільки сама наявність такої властивості як здібність до розвитку передбачає постійний перерахунок цілих груп елементів системи і навіть самої системи в цілому. Не можливе застосування для даної групи систем і методів динамічного моделювання. Динамічним моделям необхідна жорстка, багато в чому передбачувана поведінка системи з позначеними наперед шляхам її розвитку, що не припустимо до більшості сучасних технологічних систем.

Для опису надійності і вірогідності безвідмовної роботи системи вибрана експоненціальна модель, оскільки її використовування надає найширші можливості для дослідження системи. Зокрема, можлива декомпозиція системи з метою розгляду її елементів і їх груп як цілісних підсистем з достатньою точністю. Крім того, процес зменшення відповідних характеристик надійності в сучасних технологічних системах понад усе відповідає саме експоненціальній моделі.

Уточнюється формулювання мети і задач дослідження.

На підставі аналізу, що був проведен в цьому розділі, для досягнення мети, досліджувалися наступні питання:

- природа відмов, їх вплив на функціонування технологічної системи (ТС);

- існуючі методи обчислення показників надійності технологічної системи;

- надійність технологічної системи як об'єкту управління. У зв'язку з чим, розглянуто алгоритмічні моделі визначення показників і параметрів надійності технологічних процесів по всіх нормованих показниках якості продукції; провести аналіз технологічних зв'язків;

- рекурентні залежності для оцінки надійності систем, що поелементно розвиваються, довільної структури при незалежному відновленні їх елементів; дослідити можливість застосування для підвищення точності розрахунків метода еквівалентних систем і апроксимуючого топологічного метода аналізу надійності систем шляхом перетворення гілок графа;

- вірогідність побудови програмно-алгоритмічної системи управління надійністю технологічних процесів, яка дозволить розширити зону застосування методу аналізу надійності технологічних систем, для яких не існує прототипу.

Логічним завершенням роботи слід вважати застосування проведених досліджень на практиці, а саме в технологічній підготовці виробництва авіаційних агрегатів.

У другому розділі формулюється задача аналізу надійності систем, що розвиваються.

Підвищення якості управління ТС означає зниження втрат в керованому ТП і покращання результатів функціонування системи.

Оскільки прогнозування надійності ТС неможливе без аналізу відмов, що виникають при впровадженні вибраного ТП у виробництво, була визначена природа їх появи. Для збільшення достовірності отримуваних оцінок було запропоновано всі основні різновиди відмов залежно від способу оцінки вірогідності їх появи розділити на дві групи. При рішенні оптимізаційних задач надійності такий розподіл відмов необхідний, оскільки перша група відмов визначається, в основному, конструктивно-технологічною досконалістю виробів, а друга - перш за все, культурою виробництва і експлуатації. Складено схему причинно-наслідкових зв'язків, яка полегшує аналіз причин відмов як для існуючих ТП, так і для тих, що розробляються.

Подальші дослідження були направлені на розробку алгоритмічних моделей обґрунтовування вибору якнайкращого варіанту ТС, у зв'язку з чим розглядаються моделі прогнозування вірогідності виготовлення деталей по розроблених ТП з якнайменшим числом бракованих виробів.

В якості пріоритетного методу підвищення надійності систем, що розвиваються, було обрано метод структурного резервування, оскільки він дозволяє підвищити надійність системи при незначному рості витрат на розрахунок і якісний розвиток.

Визначення показників надійності ТП проводиться на основі аналізу: конструкторської документації на виріб; наявної статистики за рівнем браку на окремих операціях, даних про відмови деталей при приймально-здавальних випробуваннях і експлуатації агрегатів; теоретичного аналізу точності обробки; аналізу геометричної точності технологічного устаткування.

На вказаній основі встановлюються числові значення показників надійності ТП, окрім параметрів, які обумовлені технічними умовами на виготовлення. При розрахунку надійності були враховані і ті параметри оброблюваного виробу, які не обумовлені в кресленні і технічних умовах, тобто ті параметри, нормування яких кресленням, на думку конструктора, або не робить істотного впливу на експлуатаційні властивості виробу, або їх важко контролювати і одержувати у виробничих умовах.

Виконано теоретичні дослідження впливу технологічної спадковості операцій технологічного процесу обробки: точіння, шліфування на експлуатаційні якості виробів авіаційних агрегатів. При визначенні показників надійності ТП і, зокрема, вірогідність відмови Q(t) з урахуванням технологічних зв'язків, запропоновано вводити у формули для обчислення коефіцієнти технологічної спадковості б:

(1)

де n, m - загальні числа параметрів, значення яких нормовані для операцій А і Б; (розрахункові співвідношення наведені для найпростішого випадку послідовного виконання двох технологічних операцій А і Б ), n₁ - кількість параметрів для операції А, які при виконанні Б змінюють свої значення; - коефіцієнт технологічної спадковості.

Коефіцієнт б показує, яка частка відмов по якому-небудь параметру а_i переходить в параметри b_i після виконання операції Б. Аналіз технологічних операцій показав, що величина б може змінюватися від 0 (повна відсутність впливу погрішностей операції А на рівень браку операції Б до 1,0. Звідси можна зробити висновок, що процесом технологічного спадкоємства можна управляти, з тим щоб властивості, що позитивно впливають на надійність деталі, зберігати протягом всього ТП, а властивості, що впливають негативно, ліквідувати на його початку.

Для зручності порівняння ТП і в цілях уніфікації весь діапазон змін величин прийнятих показників надійності ТП (оцінка проводиться за допомогою показників вірогідності безвідмовного функціонування P(t), вірогідності відмови Q(t), параметру потоку відмов щ(t) і середнього терміну функціонування t_ср розбивається на класи і розряди. Запропонована класифікація складається з восьми класів надійності, кожний з яких складається з трьох розрядів. Вона базується на геометричному ряді прогресії вірогідності відмови ТП Q(t). Найвищий клас надійності l відповідає ТП виготовлення виробів вищого ступеня якості, а останній VІІІ - ТП з високим рівнем браку одержуваної продукції. Для технічних процесів загального авіадвигунобудування найбільш характерними є класи ІІІ, ІV, V.

Основним показником, на базі якого слід відносити реальний ТП до того або іншого класу, є показник Q*(t) - вірогідність отримання браку, що «просочився», в готовому виробі з розрахунку на один нормований показник. В спрощеному варіанті, якщо відома величина Q(t), то

(2)

де n - загальне число нормованих показників.

Розглянуті алгоритмічні моделі дозволяють розрахувати показники надійності для прототипу системи, що розвивається, на основі цих даних розроблені методи і отримані розрахункові співвідношення, які дозволяють рекуррентно розраховувати показники надійності системи, що розвивається, з основним з'єднанням елементів при загальному і поелементному резервуванні з постійно включеним резервом і за принципом заміщення.

Рекурентне співвідношення для коефіцієнта простою системи:

K_П,т = K_П,т-1/ [1 + K_П,т-1 / (m + 1) ! с ^m+1], (3)

Де

K_П,0 = с / (1 +с).

Напрацювання на відмову розраховується по формулі:

(4)

де P_j, P_i - фінальна вірогідність перебування системи відповідно j -м і i-м станах; Е - область всіх справних станів системи; е_-,-(е₊) - область всіх відказових (справних) станів, що граничать із справними (відказовими); м_i,j - інтенсивність переходів i-го відказового стану в j-ий справний стан.

Після перетворень

t_ср,m = t_ср,(m-1) + t_ср,0 / [(m + 1)!с^m], (5)

де t_ср,m , t_ср,(m-1) - напрацювання на відмову відповідно для систем з резервом кратністю m і (m - 1);

t_ср,m = 1/л

- напрацювання на відмову нерезервованої системи.

Розвиток системи може здійснюватися шляхом її спрощення. В цьому випадку число резервних елементів зменшуватиметься. Тоді з (3) і (5):

t_ср,m = t_ср,(m-1) - t_ср,0 / [(m + 1)!с^m], (6)

K_П,(т-1) = K_П,т/ [1 - K_П,т / (m + 1)! с ^m+1].

Якщо прийняти, що

г_i = t_ср⁽⁰⁾ / с^m

и

г_k = 1/ с ^m+1,

то вирази (6) і (5) відрізняються один від одного тільки значеннями коефіцієнтів г_i і г_k..

На підставі попередніх міркувань і співвідношень (6) і (5) остаточний рекурентний вираз матиме вигляд:

t_ср,(m±1) = t_ср,(m) ± г_i, (10)

K _П,(m±1) = K _П,(m) / [ 1 / K _П,(m) ± г_k],

Де

К_П,(0) = с / (1 + с)

- коефіцієнт простою нерезервованої системи;

t_ср,0 = 1/л

- напрацювання на відмову нерезервованої системи;

де -

с = л/м.

Визначення знака аналогічно формулі (5).

Вираз (9) є аналітичним алгоритмом для визначення коефіцієнта простою і напрацювання на відмову системи за умови, що відновлення обмежене із зворотним пріоритетом обслуговування. Отримані рекурентні формули можуть бути використані в тих випадках, коли треба оцінити надійність системи, структура якої зазнає незначні зміни в порівнянні з аналогом.

Оскільки сучасні технологічні системи складаються з високо надійних елементів, показники надійності в основному визначатимуться початковими верхніми рівнями графа. Це дозволило отримати більш прості рекурентні співвідношення для обчислення коефіцієнтів простою цих систем.

Для загального резервування при необмеженому відновленні К_П визначається з виразу:

розробка система авіаційний деталь

К_П = K _П,0 K _П,m-1 . (11)

При обмеженому і необмеженому відновленні мають місце такі рекурентні формули:

K _П,(m) = K _П,0 K _П,(m-1), (12)

K _П,(m) = K _П,(m-1) с / (m +1). (13)

Порівнюючи співвідношення (10) і (11), важливо відзначити, що коефіцієнт простою при загальному резервуванні з постійно включеним резервом і необмеженому відновленні для високо надійних систем практично співпадає по величині з коефіцієнтом простою системи, резервованої заміщенням, але при обмеженому відновленні.

Рекурентні формули, отримані для коефіцієнта готовності і напрацювання на відмову, дозволяють розрахувати надійність технологічної системи з послідовним з'єднанням елементів при загальному і роздільному резервуванні, а також з постійно включеним резервом і роздільному резервуванні з постійно включеним резервом і за принципом заміщення. Розроблені аналітичні алгоритми дають можливість розрахувати в комп'ютерному середовищі показники надійності з високим ступенем точності, оскільки передбачають можливість використовування отриманих з експлуатації достовірних даних про надійність прототипу.

Отримані вирази дають можливість аналізувати надійність систем при довільних законах розподілу часу між відмовами і відновленнями.

Не зважаючи на те, що аналітичні алгоритми, представлені в даному розділі, не дозволяють розраховувати надійність системи за наявності залежних відмов, разом з тим показані шляхи розробки алгоритмів, які дозволяють аналізувати такі системи, що суттєво розширить область застосування методів оцінки надійності систем, що розвиваються.

Третій розділ присвячений розробці наближених методів оцінки показників надійності технічних систем в процесі розвитку. Пропонується модифікація методу еквівалентних систем. Метод заснований на заміні реальної системи еквівалентними системами, одна з яких дає верхню, а інша нижню оцінку показників надійності. За еквівалентну обирається система з рівновірогідними елементами.

Визначаючи верхні і нижні оцінки надійності i -го підграфа, представляється можливим отримати відповідні оцінки всієї системи. Аналогічно були отримані розрахункові співвідношення і для інших показників надійності при різних видах резервування. Запропонований метод найдоцільніше застосувати в тих випадках, коли необхідно оцінити надійність системи, структура якої зазнає незначні зміни в порівнянні з її аналогом.

Розглянута система резервована, складається з високо надійних елементів, тобто передача гілок задовольняє умові

с_i = л/м_i <<1,

для будь-якої i-ої гілки і на нульовому і на першому рівні відсутні відказові стани. Тоді з високим ступенем точності справедливе співвідношення:

. (15)

Після перетворень остаточно виходить:

(16)

З формули (16) видно, що для оцінки надійності системи по коефіцієнту готовності досить обчислити передачі гілки з початкового стану у всі відказові стани системи, що розвивається, і її прототипу.

Отримане розрахункове співвідношення справедливе і для системи, що розвивається, описуваної довільним графом станів. В цьому випадку передачі гілки у відказові стани приблизно розраховуються як добуток передач гілок графа, узятого вздовж монотонного шляху, що веде з початкового стану в i-ий відказовий стан. Під передачею тут розуміється відношення інтенсивності відмови, що входить в який-небудь вузол вздовж шляху, до суми інтенсивностей відновлень, що витікають з цього вузла.

Необхідно відзначити, що на практиці часто немає потреби знаходити значення Р_i^np, B_i^np, B_i ^p для всіх відказових станів. Якщо система високо надійна, то із збільшенням номера рівня вірогідності Р_i^np суттєво убувають. Тоді для практичних розрахунків досить обчислити вірогідність Р_i^np і передачі B_i^np і B_i^p тільки для відказових станів того рівня, на якому вони вперше з'являються.

Суть наближеного топологічного методу полягає в тому, що граф станів реальної системи замінюється перетвореним графом, який приблизно описує функціонування досліджуваної системи. Перетворений граф отриманий з графа реальної системи, виходячи з припущення, що, починаючи з деякого рівня, на якому вперше з'являються стани відмови, система складається з рівнонадійних елементів.

Сучасні системи в основному відновлювані і розраховані на тривале існування, тому актуальна їх поведінка при t>?, тобто фінальна вірогідність станів. Основними показниками надійності таких систем є коефіцієнт готовності К_Г, напрацювання на відмову Т і середній час відновлення Т_в.

Показники надійності К_Г, Т, Т_в через вірогідність станів визначаються таким чином:

(17)

(18)

(19)

де P_i - вірогідність i-го стану; Е- - множина відказових станів; Е⁺ - безліч працездатних станів; м_n - інтенсивність виходу з n-го відказового стану.

В результаті перетворення граф функціонування системи набуває вигляд графа типу дерева. Тоді вказані показники обчислюються через передачі гілок графа.

Таким чином, для обчислення показників надійності досить визначити передачі у відказові і працездатні стани кожного рівня графа.

В четвертому розділі проводиться розрахунок показників надійності реально існуючої технічної системи, що поелементно розвивається, на прикладі технологічного процесу виготовлення корпусу дозатора приводу генератора з різним ступенем розвитку. Розглядаються можливі шляхи розвитку системи виготовлення і резервування виробничого устаткування. При розрахунку використовується запропонована інженерна методика, а також розроблене програмне забезпечення.

Початкові значення л приведені в таблиці 1. Інтенсивність відновлення м = 1(час^-1). В системі прийнятий зворотний пріоритет обслуговування при одній ремонтній бригаді. Необхідно визначити зворотний коефіцієнт готовності системи.

Таблиця 1. Значення л для розрахунку системи

л1(час-1)	л2(час-1)	л3(час-1)	л4(час-1)	л5(час-1)
0,010	0,025	0,020	0,009	0,015

Повний граф системи має 2231 вузлів, з яких 326 відповідають працездатним станам. Еквівалентний граф будується з припущення, що всі елементи структурної схеми розрахунку надійності рівно надійні, тоді граф станів має 6 працездатних і 5 відказових станів.

Отриманий результат округляється до третього знака, тоді К_Г = 0,917.

За допомогою топологічного методу було отримано точне значення зворотного коефіцієнта готовності системи К_Г = 0,91674.

Структурна схема ТС виробництва гідроприводу генератора після удосконалень. Інтенсивність відмов, відновлень, а також значення с для її елементів.

Для еквівалентної системи:

Нижня оцінка:

Верхня оцінка:

За точне значення приймається:

За допомогою топологічного методу точне значення зворотного коефіцієнта готовності системи.

К_Г = 0,9802.

На підставі проведеного аналізу статистичних даних, виявляються найбільш ненадійні ділянки ТС. Дослідження показали, що найбільше число відмов мають операції, що проводяться на фрезерних і свердлувальних верстатах, що обумовлює введення резервованих операцій та устаткування.

Таким чином, можна зробити такий висновок: метод, що пропонується, дозволяє проводити розрахунок технологічних систем, описуваних багатозв'язними графами, відмінними від графів типу дерева. Вони дозволяють досить достовірно оцінити основні кількісні характеристики надійності відновлюваної технологічної системи, що сприяє подальшому управлінню надійністю. При розрахунку використовується запропонована інженерна методика, а також розроблене програмне забезпечення.

Розроблене програмне забезпечення для розрахунку показника надійності систем, що розвиваються, призначене для технічних систем на основі порівняльного покрокового аналізу їх надійності.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі на основі виконаних наукових досліджень та узагальнень результатів теоретичних та експериментальних досліджень, що були отримані в роботі, зроблені наступні висновки, що характеризують її наукову новизну та пріоритети:

1. На основі виконаних досліджень встановлено, що надійність технологічної системи є забезпечення заданих параметрів якості виробів та оцінки можливих відмов в експлуатації при цьому запропоновано вважати системою, що розвивається.

2. Вперше запропонована класифікація надійності технологічних процесів, яка дозволяє не тільки порівнювати їх надійність, але й регламентувати ці показники в конструкторській та технологічній документації.

3. Для підвищення достовірності отриманих оцінок все різноманіття відмов в залежності від способу оцінки вірогідності їх появи розділені на дві групи. Запропонована схема причинно-наслідкових зв'язків, яка уявляє собою наочну форму аналізу причин відмов, дозволила розробити методику аналізу впливу відмов на оцінку надійності ТС, що дає змогу особі, яка приймає рішення, обґрунтувати свій вибір.

4. Досліджені та доповнені математичні моделі розрахунку надійності ТП в залежності від поставлених задач. Запропонований метод розрахунку вірогідності виконання завдання за параметрами якості та продуктивності дозволив встановити узагальнюючі аналітичні залежності між вхідними показниками процесу та на цій основі розробити методику розрахункового визначення раціональних технологічних умов та параметрів обробки, що дозволило цілеспрямовано регулювати вхідні фактори при проведенні експериментальних досліджень та забезпечити задані параметри якості деталей, що виготовляються.

В якості пріоритетного методу підвищення надійності ТС, що розвиваються, було обрано метод структурного резервування, оскільки він дозволяє підвищити надійність системи при незначному зростанні витрат на розрахунок та якісний розвиток.

5. На основі проведеного системного аналізу конструктивно-технологічних особливостей деталей авіаційних агрегатів, а також з урахуванням положень теорії надійності та теорії систем, що розвиваються, в якості комплексних показників був запропонований коефіцієнт готовності системи та наробка на відмову. Отримані рекурентні формули дозволили розрахувати надійність технологічної системи з послідовним з'єднанням елементів при загальному та розділеному резервуванні, а також з постійно включеному резерві та роздільному резервуванні з постійним включенням резерву за принципом заміщення.

6. Розроблені аналітичні алгоритми дають змогу визначити в комп'ютерному середовищі показники надійності з високим ступенем точності, передбачаючи можливість використання отриманих результатів з експлуатації достовірних даних про надійність прототипу. Отримані залежності дають змогу аналізувати надійність систем довільної структури, що розвивається. При цьому функціонування цих систем описується графом довільної структури при довільних законах розподілу часу між відмовами та поновленнями.

7. Запропонована структура та програмно-алгоритмічна побудова системи підтримки прийняття рішення управління надійністю технологічних процесів дозволили розширити зону використання методу еквівалентних систем для аналізу надійності технологічних систем, для яких не існує прототипу при більш високій точності, ніж при використанні існуючих методів еквівалентних систем. Розроблені інструменти використовують як положення теорії надійності, так і основні поняття теорії систем, що розвиваються, вказане дозволяє розглядати їх як новий підхід в вирішенні поставлених задач.

8. При проведенні розрахунків за топологічним методом визначення характеристик надійності точність апроксимуючих обчислювань задовольняє вимогам інженерного аналізу надійності (значення К_Г розраховується з похибкою д_к ? ± 0,01), що дає змогу використовувати зазначений метод при розробці сучасних технологічних систем.

9. На прикладі процесу виготовлення корпусів дозаторів авіаційного двигуна, які мають різноманітний ступінь складності, апробовані інженерні методи аналізу надійності технологічних систем в процесі їх поелементного розвитку. Необхідно зазначити, що при використанні на практиці запропонованої методики вдається запобігти надлишкового резервування в процесі розвитку системи, при одночасному забезпеченні її надійності та економічності. Поряд з цим було розроблене програмне забезпечення, висока точність та швидкодія якого дозволили оперативно обрати оптимальну структуру системи, що розвивається, та реально підвищити відповідні характеристики надійності.

10. Результати дисертаційної роботи були впроваджені на ДП ХМЗ «ФЕД», ВАТ «Мотор Січ», ВАТ «ВАЗ». Застосування комплексу прикладних програм, призначеного для розрахунку характеристик надійності технічних систем з урахуванням особливостей їх розвитку, дозволило скоротити час та витрати на розробку кінцевого продукту.

Підсумковий реальний річний економічний ефект від упровадження результатів наукової роботи склав 295,5 тисяч гривень.

11. Результати роботи також впроваджені і використовуються в навчальній діяльності Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», що дозволило підвищити рівень викладення технологічних дисциплін.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Каширина О.В. Расчет надежности технологического процесса по одному показателю качества продукции / В.П. Божко, О.В. Каширина // Інтегровані технології та енергозбереження. - Харків, 2004. - Вип. 3. - С.64 - 70.

2. Каширина О.В. Прогнозирование качества функционирования технологической системы / О.В. Каширина // Вестник двигателестроения. - Запоріжжя, 2003. - Вип. 1. - С.69 - 71.

3. Каширина О.В. Особенности определения надежности технологической системы / О.В. Каширина // «Авиационно-космическая техника и технология». Труды Государственного аэрокосмического университета им Н.Е. Жуковського «ХАИ».- Харків, 2002. - Вип. 29. - С.57 - 61.

4. Каширина О.В. Методика автоматизированного проектирования оптимальных по экономическим критериям технологических маршрутов изготовления деталей / О.В. Каширина // «Авиационно-космическая техника и технология». Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковського «ХАИ». - Харків, 2002. - Вип. 27. - С.55 - 58.

5. Алгоритм оценки надежности технологических систем: Міжнародна науково-технічна конференція [«Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні»], (Харків, 2002 р.) / МОН , Нац. аерокосм. ун-т ім. М.Є. Жуковського «Харк. авіац. ін-т». - Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», 2002. - 201 с.

6. Прогнозирование качества функционирования технологической системы: Міжнародна науково-технічна конференція [«Новые технологии, методы обработки и упрочнение деталей энергетических установок»], (Запоріжжя - Алушта, 23 - 28 вересня 2002 р.) / МОН, Зап. Нац. техн-ий ун-т, Зап. обл. держ. адм-я, ВАТ «Мотор Січ». - Запоріжжя, 2002. -136 с.

7. Методика обеспечения стабильных показателей качества при разработке новых технологических процессов: матеріали ЙЙ Міжнар. наук.-практ. конференції [«Динаміка наукових досліджень 2003»], (Дніпропетровськ - Івано-Франківськ - Кривий Ріг, 20 - 27 жовтня 2003). - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2003. - Том 35. Технічні науки. - 52 с.

8. Розробка теоретичних основ побудови технологічно-економічних факторів взаємного впливу етапів виробничо-експлуатаційного циклу при розробці АКРТ: Звіт про НДР (заключний) / Нац. аерокосм. ун-т ім..М.Є.Жуковського «Харк. авіац. ін-т». - № ДР0100U002201, Інв. № 0203U002072. - Харків, 2003. - 70с.

9. Дослідження та моделювання впливу фінансових механізмів на ефективність виробництва в аерокосмічній техніці: Звіт про НДР (заключний) / Нац. аерокосм. ун-т ім. М.Є.Жуковського «Харк. авіац. ін-т». - № ДР0103U005067, Інв. №0203U002072. - Харків, 2005. - 70с.

АНОТАЦІЯ

Каширіна О. В. Оцінка технологічної надійності при виготовленні високоточних деталей авіаційного виробництва. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів. Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” - м. Харків, 2008.

Дисертація присвячена питанням розробки методики, алгоритмів та програм аналізу надійності, що дозволять аналізувати технологічні системи з необхідною достовірністю. Доведення можливості представлення будь-якої системи на етапі розробки як такої, що поелементно розвивається, дозволило спростити аналіз їх надійності і дало можливість підвищити точність розрахунків. Оскільки оцінка надійності технологічної системи повинна формуватися та використовуватися на основі критеріїв відмов була проаналізована природа їх появи та на основі цього аналізу складена схема причинно-наслідкових зв'язків.

В якості пріоритетного методу підвищення надійності систем, що розвиваються, було обрано метод структурного резервування, оскільки він дозволяє підвищити надійність системи при незначному рості витрат на розрахунок і якісний розвиток.

Рекурентні формули, отримані для коефіцієнта готовності і напрацювання на відмову, дозволяють розрахувати надійність технологічної системи з послідовним з'єднанням елементів при загальному і роздільному резервуванні, а також з постійно включеним резервом і роздільному резервуванні з постійно включеним резервом і за принципом заміщення. Запропоновані залежності дають можливість аналізувати надійність систем при довільних законах розподілу часу між відмовами і відновленнями.

Розроблені аналітичні алгоритми дають можливість розрахувати в комп'ютерному середовищі показники надійності з високим ступенем точності, оскільки передбачають можливість використовування отриманих з експлуатації достовірних даних про надійність прототипу.

Ключові слова: надійність технологічного процесу, технологічна система, що розвивається, відмова, структурне резервування, прийняття рішення.

АННОТАЦИЯ

Каширина О.В. Оценка технологической надежности при изготовлении высокоточных деталей авиационного производства. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02. - проектирование, производство и испытание летательных аппаратов. Национальный аэрокосмический университет им Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт» - г. Харьков, 2008г.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической задачи современного авиадвигателестроения, связанной с повышением надежности технологического процесса изготовления деталей авиационного производства, обуславливающее высокую вероятность выхода годных изделий, что способно обеспечить оптимальную минимизацию затрат на производство продукции.

Исследован процесс развития технических систем и доказана возможность представления любой системы на этапе разработки как поэлементно развиваемой, что позволит упростить анализ их надежности и даст возможность повысить точность расчетов. Формулируются основные понятия и определения развиваемых систем.

В результате проведенного анализа существующих методов оценки показателей и характеристик надёжности систем установлено, что существующие методы вычисления показателей надежности, являясь достаточно громоздкими, предназначены для оценки параметров безотказности простых структур и далеки от объективного решения комплексных задач при синтезе сложно организованных эксплуатируемых и перспективных систем. Кроме того, для развиваемых систем их применение нецелесообразно, поскольку само наличие такого свойства как способность к развитию предполагает постоянный пересчет целых групп элементов системы и даже самой системы в целом. Не применимы для данной группы систем и методы динамического моделирования, поскольку этим моделям необходимо жесткое, во многом предопределенное поведение системы с обозначенными заранее путями ее развития, что не применимо к большинству современных технологических систем.

В качестве приоритетного метода повышения надежности развиваемых ТС был выбран метод структурного резервирования, так как он позволяет повысить надежность систем при незначительном росте затрат на расчет и качественное развитие.

На основании системного анализа факторов, оказывающих существенное влияние на показатели качества и точности изготовления деталей, оптимизированного на базе представления ТП как развиваемой системы, осуществлен системный научно обоснованный подход при реализации методов и средств технического обеспечения параметров качества деталей авиационных агрегатов, который учитывает особенности формирования геометрических параметров и поверхностного слоя.

Уточнена математическая модель оценки надежности ТП, которая устанавливает функциональные связи между входными параметрами процесса и выходными геометрическими и динамическими параметрами изготовления деталей, на основе которых получены простые обобщенные аналитические зависимости и разработана методика расчетного определения рациональных технологических условий и параметров обработки.

Поскольку методы оценки надежности ТС должны формироваться и использоваться на основе критериев отказов, а также для увеличения степени достоверности получаемых оценок, была составлена схема причинно-следственных связей, представляющая собой наглядную форму анализа причин отказов, способная облегчить анализ причин отказов как для существующих ТП, так и для разрабатываемых.

В качестве основных показателей технологической надежности были выбраны коэффициент готовности и наработка на отказ. Разработанные аналитические алгоритмы дают возможность рассчитать в компьютерной среде показатели надежности с высокой степенью точности, предусматривая возможность использования полученных из эксплуатации достоверных данных о надежности прототипа.

Предложенная структура и программно-алгоритмическое построение системы поддержки принятия решений по управлению надежностью технологических процессов, позволяющая на каждом шаге реализации алгоритма отсеивать неконкурентоспособные варианты, значительно расширяет область применения метода эквивалентных систем, для которых не существует прототипа.

При проведении расчетов по топологическому методу определения характеристик надежности точность аппроксимирующих вычислений удовлетворяет требованиям инженерного анализа надежности (значение К_Г рассчитывается с погрешностью д_к ? ± 0,01), что дает возможность широкого применения указанного метода при разработке современных технологических систем.

На примере процесса изготовления корпусов дозаторов авиационного двигателя, имеющих различную степень сложности, апробированы инженерные методы анализа надежности технических систем в процессе их поэлементного развития. Необходимо отметить, что при использовании на практике предлагаемая методика позволяет избежать избыточного резервирования в процессе развития системы, обеспечивая одновременно ее надежность и экономичность. Кроме того, при расчете показателей надежности было применено разработанное программное обеспечение, высокая точность и быстродействие которого позволили оперативно выбрать оптимальную структуру развиваемой системы, определив величину реального повышения соответствующих характеристик надежности.

Ключевые слова: надежность технологического процесса, развиваемая технологическая система, отказ, структурное резервирование, принятие решения.

SUMMARY

O.V. Kashirina. The evaluation of technological reliability at producing the high-quality aircraft manufacturing components. - Manuscript.

Dissertation on obtaining of a scientific degree of the candidate of engineering sciences in the speciality 05.07.02- designing, manufacture and testing aircrafts. - The National Aerospace University named after N. Y. Ghukovskiy “Kharkov Aviation Institute” - Kharkov, 2008.

The paper is devoted to the questions of methods, algorithms and program design of reliability analysis that enable to analyze technological systems with necessary accuracy. The method of structural redundancy was chosen as the priority method of increasing the reliability of developing systems as it enables to increase the reliability of systems at minor growth of costs for calculation and qualitative development.

The mathematical model of evaluation of technological process reliability is defined more exactly. It establishes functional bindings between the in parameters of the process and the out geometric and dynamic parameters of manufacturing the components. On this basis simple generalized analytical dependence was received and the method of calculated determination of rational technological conditions and processing parameters were elaborated.

The availability ratio and main time between failures index were chosen as the main indexes of technological reliability. The designed analytic algorithms enable to calculate in computer sphere the reliability indexes with high accuracy rating foreseeing the opportunity of using the exploitation reliable findings about the reliability the prototype.

Key words: technological system, reliability, developing technological system, failure, structural redundancy, making a decision, availability ratio.

Підписано до друку 16.09.2008

Формат 60х90/16. Бум. офс. №2. Офс. друк.

Ум. друк. арк. 1,0. Т. 100 прим. Зам. № .

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського „ХАІ”

61070, м. Харків-70, вул. Чкалова, 17

http://www.khai.edu

Видавничий центр „ХАІ”

61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17

izdat@khai.edu

Размещено на Allbest.ru

...